頂板來(lái)壓規(guī)律對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采濃度的影響及抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化

李曉疆，王 震，婁 芳，賈永勇

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆煤與煤層氣工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊 830091)

綜放工作面包括采煤機(jī)割煤及放煤等環(huán)節(jié)，煤炭產(chǎn)量高、開(kāi)采強(qiáng)度大，易導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加，從而引起工作面上隅角瓦斯超限。高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)由于成本低、效果好、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在許多礦區(qū)得到了良好應(yīng)用[1-7]。高位鉆孔抽采效果與鉆場(chǎng)位置、鉆孔層位、壓茬距、鉆孔孔徑等參數(shù)密切相關(guān)，鉆孔參數(shù)初始設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用經(jīng)驗(yàn)值、理論計(jì)算等手段，存在一定程度的偏差，后期根據(jù)工作面開(kāi)采實(shí)際情況及鉆孔瓦斯抽采濃度變化特點(diǎn)及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)，是提高鉆孔抽采效率的重要手段[3-6]。本文針對(duì)新疆某礦12B801綜放工作面原始抽采鉆孔設(shè)計(jì)不合理、瓦斯超限時(shí)有發(fā)生的問(wèn)題，在充分掌握了12B801工作面頂板大周期、小周期來(lái)壓規(guī)律的基礎(chǔ)上，分析了其對(duì)原始高位鉆孔瓦斯抽采濃度變化的影響，并基于此優(yōu)化了鉆孔參數(shù)，進(jìn)一步降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛龋Ｕ狭斯ぷ髅姘踩咝Щ夭伞?/p>

1 礦井概況

12B801綜放工作面位于該礦二采區(qū)，主采B8煤層，煤層傾向在北東15～20°之間，傾角24～28°，工作面內(nèi)無(wú)褶皺和斷裂構(gòu)造。B8煤層為一結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的厚煤層，厚度在0.84～9.10 m之間，平均為5.23 m，煤層綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。12B801綜放工作面走向長(zhǎng)度1 900 m，傾斜長(zhǎng)為120 m，采放比1∶1.7。B8煤層平均瓦斯含量8.62 m3/t，工作面回采前，設(shè)計(jì)了高位抽采鉆孔來(lái)解決瓦斯超限問(wèn)題。

圖1 煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam

2 高位鉆孔原始設(shè)計(jì)

瓦斯抽采鉆場(chǎng)布置在工作面回風(fēng)巷實(shí)體煤一側(cè)，沿巷幫起坡40°角掘進(jìn)至直接頂巖層，鉆場(chǎng)長(zhǎng)3.5 m，寬3.0 m，高2.5 m，各鉆場(chǎng)間距65 m。鉆場(chǎng)內(nèi)施工8個(gè)鉆孔，分上下兩排，每排4個(gè)鉆孔，鉆孔直徑120 mm。鉆孔抽采負(fù)壓采用經(jīng)驗(yàn)值20 kPa，初步設(shè)計(jì)時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冒落帶Hm及裂隙帶HL高度，見(jiàn)式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：M為煤層采高，5.23 m；k為垮落巖層碎脹系數(shù)，1.25；θ為煤層傾角，24°。

經(jīng)計(jì)算得出冒落帶最大高度24.8 m，裂隙帶最大高度51.3 m。因此將上、下兩排鉆孔終孔層位設(shè)為距離煤層冒落帶與裂隙帶之間，各鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。高位鉆孔的抽采作用使工作面上隅角瓦斯?jié)舛然窘档?.6%～0.8%，但工作面仍時(shí)有瓦斯超限現(xiàn)象，鉆孔參數(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

3 頂板來(lái)壓規(guī)律及其對(duì)鉆孔抽采濃度的影響

3.1 工作面頂板來(lái)壓規(guī)律

3.1.1 頂板來(lái)壓實(shí)測(cè)

工作面回采過(guò)程對(duì)液壓支架工作阻力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后期通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)梳理，得到頂板來(lái)壓變化特點(diǎn)，見(jiàn)圖2。2016年10月1日～15日，頂板共產(chǎn)生3次來(lái)壓，來(lái)壓步距分別為14.8 m、25.0 m及16.5 m；2016年10月17日工作面頂板再次來(lái)壓，這次工作面支架工作阻力明顯比前3次來(lái)壓增加顯著，10月18日夜班工作面發(fā)生壓架事故。正常生產(chǎn)后，繼續(xù)監(jiān)測(cè)支架工作阻力，發(fā)現(xiàn)每經(jīng)歷3～4次頂板小周期來(lái)壓(來(lái)壓平均步距15.5 m)，產(chǎn)生一次大周期來(lái)壓(來(lái)壓平均步距60 m)。

3.1.2 頂板來(lái)壓規(guī)律理論分析

工作面頂板周期來(lái)壓是由于頂板硬巖周期性破斷失穩(wěn)而引起的，當(dāng)覆巖中存在多層堅(jiān)硬巖層時(shí)，對(duì)采場(chǎng)來(lái)壓產(chǎn)生的影響可能不只是鄰近煤層的第1層堅(jiān)硬巖層，上覆第2層、第3層硬巖的破斷也會(huì)影響采場(chǎng)來(lái)壓，這就會(huì)導(dǎo)致頂板來(lái)壓步距及來(lái)壓強(qiáng)度并不是每次都相等[8-10]。由圖1綜合柱狀圖可知,距離煤層高度7 m的老頂為細(xì)砂巖與粉砂巖互層的中硬巖層，厚度14.5 m，該巖層也是亞關(guān)鍵層；距離煤層高度40 m有一層粗砂巖，厚度38 m，為主關(guān)鍵層。根據(jù)工作面來(lái)壓步距計(jì)算公式[9]，可以計(jì)算主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層的破斷步距L，見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：H為關(guān)鍵層的厚度；σ為關(guān)鍵層抗拉強(qiáng)度；q為單位長(zhǎng)度關(guān)鍵層的載荷。

14.5 m厚的亞關(guān)鍵層(老頂)的抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa，其單位長(zhǎng)度載荷為0.39 MPa；38 m厚的主關(guān)鍵層的抗拉強(qiáng)度為4.9 MPa，其單位長(zhǎng)度載荷為0.81 MPa。經(jīng)計(jì)算得出老頂?shù)钠茢嗖骄酁?6 m，主關(guān)鍵層的破斷步距為54 m。理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大、小周期平均來(lái)壓步距基本相符。

圖2 工作面頂板來(lái)壓實(shí)測(cè)Fig.2 Roof pressure measurement at working face

3.2 頂板來(lái)壓規(guī)律對(duì)原鉆孔抽采濃度的影響

結(jié)合表1原鉆孔參數(shù)，對(duì)2016年10月1日至20日的大、小周期來(lái)壓期間典型鉆孔瓦斯抽采濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。圖3為大、小周期來(lái)壓期間下排1#孔、3#孔及上排7#孔、8#孔抽采濃度變化曲線(xiàn)。

表1 原高位鉆孔參數(shù)Table 1 Original high drilling parameters

圖3 典型鉆孔抽采濃度變化Fig.3 Variation in extraction concentration oftypical boreholes

由圖3可知，在頂板10月17日大周期來(lái)壓前，這4個(gè)鉆孔的抽采濃度均穩(wěn)步上升。上排7#孔、8#孔在頂板大周期來(lái)壓前瓦斯抽采濃度達(dá)到峰值，分別為51%和43%；下排孔由于層位較低抽采瓦斯含有大量空氣，因此下排孔抽采濃度相對(duì)小于上排孔，下排1#孔、3#孔在頂板大周期來(lái)壓前瓦斯抽采濃度峰值僅為17.5%、19%。頂板大周期來(lái)壓后，上排孔瓦斯?jié)舛妊杆傧陆?，而下排孔瓦斯?jié)舛葏s不斷上升，最高達(dá)到25%，甚至超過(guò)了上排孔瓦斯抽采濃度。鉆孔抽采濃度呈現(xiàn)如此變化的原因是：①老頂?shù)闹芷谛钥鍞?小周期來(lái)壓)與主關(guān)鍵層形成越來(lái)越大的離層空間，為瓦斯聚集提供了有利場(chǎng)所，所以上排鉆孔抽采濃度表現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)趨勢(shì)；②當(dāng)關(guān)鍵層懸頂距離足夠大時(shí)發(fā)生破斷(大周期來(lái)壓)，破斷的關(guān)鍵層及其控制的上位巖層急劇下沉，下位巖層離層裂隙被壓實(shí)，瓦斯向上運(yùn)移聚集過(guò)程受阻，導(dǎo)致上排孔抽采濃度銳減，此時(shí)瓦斯在下排孔的抽采負(fù)壓作用下在采空區(qū)下部聚集，下排孔抽采濃度增幅顯著。大周期來(lái)壓造成瓦斯在采空區(qū)下部聚集，極易引起工作面上隅角瓦斯超限。

4 鉆孔參數(shù)優(yōu)化分析

由于主關(guān)鍵層的影響，采空區(qū)頂板覆巖的離層裂隙區(qū)主要集中在老頂及主關(guān)鍵層之間的范圍；頂板的每個(gè)大、小周期循環(huán)中，小周期來(lái)壓促使主關(guān)鍵層與老頂之間離層裂隙發(fā)展，而大周期來(lái)壓則使其閉合。因此，合理的抽采鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)保證：①鉆孔的終孔層位應(yīng)在主關(guān)鍵層之下；②鉆孔沿工作面走向的有效抽采長(zhǎng)度應(yīng)覆蓋大周期來(lái)壓步距；③下排孔抽采層位不易過(guò)高，以便在大周期來(lái)壓瓦斯上移通道被壓實(shí)后，實(shí)現(xiàn)其對(duì)采空區(qū)下部瓦斯的有效抽采。而從表1和圖4可知，原始上排孔鉆孔位置均超過(guò)關(guān)鍵層高度，且兩排孔沿工作面走向的長(zhǎng)度未覆蓋大周期來(lái)壓步距，從而導(dǎo)致鉆孔的有效抽采長(zhǎng)度基本在36 m以下，這是影響鉆孔抽采效果的主要原因。

根據(jù)以上分析，優(yōu)化后的上排孔抽采上限調(diào)整為主關(guān)鍵層底部，下限調(diào)整為老頂頂部；下排孔層位略微降低，其抽采下限調(diào)整為直接頂頂部；兩排鉆孔沿工作面走向的長(zhǎng)度完全覆蓋大周期來(lái)壓步距，見(jiàn)圖4。優(yōu)化后的鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2，從表2可看出，優(yōu)化后，鉆孔有效抽采長(zhǎng)度基本達(dá)到60 m，可以大大提高瓦斯抽采效率。

圖4 鉆孔優(yōu)化前后層位示意圖Fig.4 Horizon map before and after drilling optimization

表2 優(yōu)化后高位鉆孔參數(shù)Table 2 Optimized drilling parameters after optimization

5 Fluent數(shù)值模擬分析

5.1 模型參數(shù)

煤層開(kāi)采后覆巖垮落破斷呈現(xiàn)圓矩梯臺(tái)狀，利用Fluent數(shù)值模擬軟件模擬時(shí)可以將圓矩梯臺(tái)簡(jiǎn)化為矩形梯臺(tái)體[11]，建立工作面、采空區(qū)及高位鉆孔模型，模型分為采空區(qū)多孔介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域及工作面自由空間湍流部分，依據(jù)工作面實(shí)際開(kāi)采參數(shù)及采動(dòng)覆巖裂隙，確定模型尺寸及邊界條件。工作面風(fēng)量采用實(shí)際風(fēng)量1 165 m3/s，抽采負(fù)壓設(shè)為10 kPa、20 kPa(原設(shè)計(jì)負(fù)壓)、25 kPa及30 kPa。鉆孔直徑120 mm，按照表2布置鉆孔參數(shù)。

5.2 模擬結(jié)果分析

如圖5(a)～(d)所示，在10 kPa的抽采負(fù)下，采空區(qū)中的瓦斯流場(chǎng)發(fā)生了顯著變化，但由于負(fù)壓較小，上隅角瓦斯?jié)舛热愿哌_(dá)1.2%；負(fù)壓20 kPa，上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷?.41%，比原抽采方案的上隅角瓦斯?jié)舛冉档土私?5%，表明優(yōu)化方案的合理性；負(fù)壓30 kPa，上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)一步降低到0.33%；負(fù)壓40 kPa，上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷?.27%。可見(jiàn)，隨著負(fù)壓的增加，鉆孔抽采濃度越來(lái)越高，但當(dāng)負(fù)壓增加到一定程度，鉆孔抽采濃度的變化幅度不再明顯，但加大抽采負(fù)壓，不僅是漏風(fēng)流場(chǎng)向采空區(qū)深部擴(kuò)散，而且加寬了回風(fēng)側(cè)自燃帶范圍，為防火帶來(lái)壓力，綜合考慮，鉆孔抽采負(fù)壓應(yīng)控制在25 kPa左右為宜。

圖5 不同抽采負(fù)壓下采空區(qū)瓦斯?jié)舛菷ig.5 Gas concentration in goaf under differentpumping negative pressure

6 瓦斯治理效果

高位鉆孔優(yōu)化前：上排5#～8#孔最大抽采濃度為57%，平均抽采濃度在22.5%～26.8%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于20%)長(zhǎng)度在14.5～18.8 m之間；下排1#～4#孔最大抽采濃度為25.5%，平均抽采濃度在10.73%～16.25%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于10%)在15.0～22.2之間。鉆孔優(yōu)化后：上排5#～8#孔最大抽采濃度為69.5%，平均抽采濃度在38.1%～45.5%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于20%)長(zhǎng)度在30.0～41.5 m之間；下排1#～4#孔最大抽采濃度為41.25%，平均抽采濃度在18.3%～27.5%之間，瓦斯高濃度抽采段(抽采濃度大于10%)在36.6～54.0 m之間。優(yōu)化后，12B801綜放工作面上隅角瓦斯最大濃度降到0.24%，回風(fēng)巷瓦斯最大濃度降為0.21%，比原方案降低了50%左右，見(jiàn)圖6。

圖6 上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.6 Change of gas concentration in upper cornerand return air lane

可見(jiàn)，優(yōu)化后的鉆孔抽采層位沿工作面頂板方向上基本覆蓋了主要裂隙區(qū)，沿工作面走向方向基本覆蓋了大周期來(lái)壓步距，從而對(duì)大、小周期來(lái)壓期間采空區(qū)不同層位的瓦斯實(shí)現(xiàn)了有效抽采，也證明利用大、小周期來(lái)壓規(guī)律確定高位鉆孔參數(shù)的合理性。

7 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)工作面支架工作阻力及高位鉆孔瓦斯抽采濃度分析，得出頂板來(lái)壓呈現(xiàn)大、小周期變化規(guī)律，小周期平均來(lái)壓步距約15.5 m，大周期平均來(lái)壓步距約60.0 m，大、小周期來(lái)壓直接影響著高位鉆孔瓦斯抽采濃度。

2) 利用大、小周期來(lái)壓規(guī)律，對(duì)原設(shè)計(jì)抽采鉆孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Fluent模擬結(jié)果表明，在原設(shè)計(jì)抽采負(fù)壓20 kPa下優(yōu)化后的鉆孔可將工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺仍桨附档徒?5%，隨著負(fù)壓增加上隅角瓦斯不斷減小，考慮到采空區(qū)漏風(fēng)因素，合理負(fù)壓為25 kPa左右。

3) 優(yōu)化后的高位鉆孔施工后，抽采效率顯著提高，各鉆孔瓦斯平均抽采濃度比原方案提高近1倍，上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺仍桨附档土?0%左右，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了更好的保障。