頂板千米定向鉆孔在高瓦斯煤層群瓦斯抽采中的應用

謝小平，耿耀強

(1.六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553004；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

近幾年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，淺部煤礦向深部不斷延伸，高瓦斯突出礦井也越來越多，瓦斯危害越來越嚴重，限制著礦井的安全高效生產和發(fā)展[1-3]。對于千米定向鉆孔技術我國大量學者進行了研究，閆衛(wèi)紅[4]提出定向順層長鉆孔預抽掘進運輸大巷高突煤層瓦斯；劉佳[5]根據松軟煤層梳狀特殊條件，提出遠距離定向鉆孔抽采卸壓煤層瓦斯技術；肖東輝[6]為提高低透氣性松軟煤層的透氣性，提出定向千米鉆機定向鉆孔技術。我國煤礦高瓦斯煤層群開采瓦斯抽采條件錯綜復雜不盡相同[7-10]，理論和技術研究仍較為欠缺。

本文針對山西省沙曲煤礦低透氣性高瓦斯煤層群的開采條件，通過數(shù)值模擬分析確定首采煤層開采后裂隙范圍，從而確定合理的鉆孔布置層位，選用德國千米定向鉆機DDR-1200型，沿工作面頂板布置千米長鉆孔抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，從而減小涌入工作面的瓦斯量，以實現(xiàn)高瓦斯煤層群煤和瓦斯的安全共采。

1 工程概況

1.1 礦井概況

沙曲煤礦位于山西省呂梁市境內，隸屬于華晉焦煤有限責任公司。井田走向長22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。礦區(qū)含局部可采和可采煤層共9層，至上而下分別為2—5號煤層(山西組)、6—10號煤層(太原組)，總厚度約為15.4 m，煤質為優(yōu)質焦煤。礦井南翼山西組2號煤層厚度為0.9m，其下方10m處為3號煤層，平均厚度為1.2m；其下方21.2m處為4號煤層，平均厚度為4.02m；其下方26.8m處為5號煤層，平均厚度為3.42m。全礦井瓦斯絕對涌出量479.91m3/min，相對瓦斯涌出量103.75m3/t，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785m2/(MPa2·d)，屬于低透氣性高瓦斯煤層群開采礦井。主采2號、3號、4號、5號煤層瓦斯壓力分別為0.92MPa、1.08MPa、1.50MPa、1.40MPa，原始瓦斯含量分別為10.65m3/(t.r)、12.55m3/(t.r)、10.89m3/(t.r)、12.08m3/(t.r)，殘余瓦斯量分別為3.40m3/(t.r)、3.50m3/(t.r)、3.54m3/(t.r)、3.64m3/(t.r)。礦井主采煤層瓦斯其他基礎參數(shù)具體見表1。

表1 沙曲煤礦主采煤層瓦斯基礎參數(shù)

1.2 工作面概況

南翼4號煤層14301工作面內煤層厚度在2.2～2.7m之間，平均厚2.45m，傾角3°～6°，平均為4°，工作面內地質條件相對簡單，整體為一單斜構造。14301工作面布置軌道巷、運輸巷和尾巷，三條巷道垂直于南三集中運輸巷，形成“兩進一回”通風方式。14301工作面設計傾斜長度為220m，可推進走向長度為1445m，采用傾向長壁采煤法，該工作面為南三采區(qū)首采工作面，南部為14302工作面(未開掘)；北部為杜峪村邊界煤柱；西部為南三采區(qū)集中大巷，東部為膠泥壟村邊界煤柱，14301工作面布置如圖1所示。

圖1 14301工作面布置示意圖

2 采動裂隙與瓦斯匯聚規(guī)律分析

沙曲煤礦屬于低透氣性高瓦斯突出近距離煤層群開采條件，在南翼山西組首采4號煤層時，涌入采掘工作面的瓦斯主要包括兩部分：一是本煤層釋放瓦斯，二是鄰近的3號、5號煤層的卸壓瓦斯。4號煤層14301工作面采用“U+L”型通風方式，工作面處為上行通風，工作面落煤、實體煤壁和采空區(qū)遺煤構成本煤層釋放瓦斯，其瓦斯運動軌跡如圖2所示。

圖2 采空區(qū)覆巖裂隙瓦斯運移示意圖

4號煤層開采時，上方10m處的3號煤層和下方5.6m處的5號煤層受采動影響作用破裂變形，煤層發(fā)生卸壓增透變化，大量煤層瓦斯卸壓解吸，由于卸壓煤層瓦斯密度小于其他氣體而發(fā)生上升并流動。另一方面，煤層開采后導致頂板破斷下沉，產生大量順層和穿層裂隙，形成卸壓煤層瓦斯流動的通道，最后瓦斯漂浮到離層裂隙帶頂部并大量匯聚，形成瓦斯富集區(qū)域，所以頂板瓦斯抽采鉆孔布置的最佳位置位在裂隙帶中部。頂?shù)装遴徑簩拥耐咚沽鲃榆壽E如圖3所示。

圖3 上下鄰近層瓦斯流動示意圖

3 采動裂隙分布數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

圖4 數(shù)值模擬力學模型

以山西省沙曲煤礦南翼4號煤層現(xiàn)場地質條件為原型，構建數(shù)值計算模型，此次數(shù)值模擬選用UDEC4.0模擬軟件[11-14]。根據現(xiàn)場14301工作面的綜合柱狀圖，建立南翼山西組煤巖層數(shù)值計算模型，如圖4所示。設計水平模型長度為300m、高度為51.6m；傾斜模型長度為400m、高度為80m模擬中4號煤層平均傾角為4°，煤層厚2.45m，采高2.45m，其上方21.2m、10m處分別為2號、3號煤層，平均厚度分別為0.9m、1.2m；其下方5.6m處為5號煤層，平均厚度為3.42m。數(shù)值模擬中工作面埋深約450m，即模型上部施加11.25MPa的載荷，模擬上部巖層的自重。設計UDEC4.0數(shù)值計算模型底部邊界以固定鉸支座固定，模型左右兩端邊界以活動鉸支座固定，模型上部為自由邊界。根據現(xiàn)場地質資料，模擬模型中各煤巖層和節(jié)理面的力學參數(shù)見表2和表3。

表2 煤巖層力學參數(shù)

表3 節(jié)理面力學參數(shù)

本次數(shù)值模擬是為了揭示4號煤層14301工作面開采后頂板裂隙分布及演化規(guī)律，在傾斜模型中左右兩邊留設90m邊界煤柱，工作面開挖長度為220m；在走向模型中從左邊界50m處開始開挖。

3.2 數(shù)值模擬結果分析

為分析隨著14301工作面的推進，覆巖裂隙及垂直應力分布規(guī)律，設計從模型左邊界50m處開始開挖，分別開挖至模型水平坐標的65m、85m、100m、160m處，對應老頂初次來壓前、初次和周期來壓時、正?；夭蓵r期，模擬的覆巖裂隙及垂直應力分布特征如圖5所示。

圖5 模擬覆巖裂隙及垂直應力分布(MPa)

根據數(shù)值模擬結果圖5(a)可知，當工作面推進至模型水平位置65m時直接頂開始垮落，垮落高度為3.4m，老頂未斷裂，裂隙發(fā)育不明顯；根據圖5(b)可知，當工作面推進到水平位置85m時老頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，距離煤層頂板13.2m處形成離層裂隙；此后隨著工作面的推進裂隙發(fā)育區(qū)不斷向上發(fā)展，當工作面推進至水平位置100m時離層裂隙發(fā)生在工作面頂板上方22.1m處，如圖5(c)所示；此后，隨著工作面的推進，裂隙的發(fā)育高度達到34m，并基本穩(wěn)定在該高度，如圖5(d)所示。

4號煤層回采時頂?shù)装辶严斗植家?guī)律為：上覆巖層0～3.4m為冒落帶，3.4～34.1m范圍為裂隙帶，兩帶高度為采高的14.2倍，底板的裂隙區(qū)域距離底板10m以外。3號處于裂隙帶內，5號煤層處于底板卸壓區(qū)域內。

綜上分析得出：①垂直方向上，在4號煤層頂板34m范圍內采動裂隙發(fā)育，在煤層頂板約22m處形成最大離層裂隙，導致煤層卸壓瓦斯大量聚集；②在傾斜方向上，采空區(qū)兩端頭內側0～60m的范圍內，覆巖發(fā)生下沉膨脹變形，形成大量順層和穿層裂隙，是千米定向鉆孔布置的最優(yōu)位置。

4 現(xiàn)場工程應用

4.1 頂板千米定向鉆孔布置設計

沙曲煤礦14301工作面設計布置4個頂板千米定向鉆孔抽采覆巖裂隙帶瓦斯，鉆孔布置在4號煤層頂板巖層中，垂直距離4號煤層約22m，4個鉆孔的開孔間距大于1～2m，單孔鉆孔深度為1200m。如鉆孔平面布置圖6(a)所示，4個鉆孔均靠近14301運輸巷和尾巷一側布置，4號鉆孔距離14301運輸巷15m左右，4個鉆孔的終孔間距為40m。鉆孔基本孔和擴孔的直徑分別為170mm、220mm。14301工作面抽采覆巖裂隙匯聚瓦斯的鉆孔布置如圖6所示。

圖6 頂板千米定向鉆孔布置示意圖(m)

4.2 千米定向鉆孔的施工工藝

在水平距離南三集中運輸巷82.5m處布置鉆場，將奧鉆鉆機向上傾斜4°，并向回風巷方向水平偏轉8°，以便鉆孔盡早進入預設巖層位置。

由于德國千米定向鉆機DDR-1200型施工鉆孔時，可以實現(xiàn)鉆頭在任意方向上的彎曲，其施工工藝主要分為封孔、爬升、平行鉆進三個階段：①封孔階段，先以孔徑170mm鉆孔進尺21m，再擴孔至220mm的孔徑，然后用鉆機向21m鉆孔內推入導氣鋼管，注入馬麗散實施封孔；②爬升階段，由于設計頂板鉆孔將穿過3號煤層，沿2號煤層與3號煤層之間的層位鉆進，所以設計水平距離鉆場100m左右，鉆孔將爬升至預設高度層位，即垂直距離4號煤層頂板22m處；③水平鉆進階段，當鉆孔達到預設層位(垂直距離4號煤層頂板22m處)，鉆孔將停止爬升，平行于4號煤層鉆進，保持間距。

4.3 瓦斯抽采效果分析

為了分析14301工作面頂板千米鉆場抽采瓦斯效果，現(xiàn)場收集鉆場抽采瓦斯的數(shù)據，在14301工作面千米鉆場抽采瓦斯兩年時間內瓦斯抽采濃度和純量變化曲線如圖7所示。

圖7 14301工作面鉆場瓦斯抽采數(shù)據圖

從圖7中分析可知，根據14301工作面頂板千米鉆場兩年時間內抽采瓦斯的數(shù)據，抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)先上升再下降的趨勢，抽采瓦斯?jié)舛仁冀K大于25%以上，抽采瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_80%。在觀測期間的前6個月，抽采瓦斯的濃度出現(xiàn)不斷升高的變化，濃度由25%增至80%；在此后的2個多月期間，抽采瓦斯?jié)舛任恢迷?0%～80%之間；之后，抽采瓦斯?jié)舛乳_始出現(xiàn)下降趨勢，由80%降至45%左右，維持將近2個月后，抽采瓦斯?jié)舛冗M一步下降至30%左右。抽采瓦斯純量始終大于2.0m3/min以上，抽采瓦斯純量最大值達3.5m3/min，根據現(xiàn)場收集鉆場抽采瓦斯第一年的數(shù)據來看，抽采瓦斯純量保持在2.0～3.0m3/min之間波動，第二年的時間內抽采瓦斯純量保持在3.0～3.5m3/min之間波動，幅度較小。

綜上分析可以得出：14301工作面頂板千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞枯^高，并且有效抽采濃度的持續(xù)時間長，持續(xù)抽采時間在兩年以上，取得了良好的瓦斯抽采效果。

5 結 論

1)沙曲礦南翼山西組4號煤層開采時，采掘工作面內的瓦斯主要來至本煤層開采的釋放瓦斯和上部3號、下部5號鄰近煤層的卸壓瓦斯。頂?shù)装遴徑簩有秹和咚乖谏『蛿U散的作用下沿穿層頂?shù)装辶严?，向上擴散，最后聚集在4號煤層上方的離層裂隙中，形成瓦斯富集區(qū)域。

2)模擬分析得出以下結論：①垂直方向上，在4號煤層頂板34m范圍內采動裂隙發(fā)育，在煤層頂板約22m處形成最大離層裂隙，導致煤層卸壓瓦斯大量聚集；②在傾斜方向上，采空區(qū)兩端頭內側0～60m的范圍內，覆巖發(fā)生下沉膨脹變形，形成大量順層和穿層裂隙，是千米定向鉆孔布置的最優(yōu)位置。

3)現(xiàn)場應用表明：在14301工作面千米鉆場抽采瓦斯兩年時間內，抽采瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)先上升再下降的趨勢，抽采瓦斯?jié)舛仁冀K大于25%以上，最大值達80%，瓦斯抽采純量在2.0～3.0m3/min之間。頂板千米定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞枯^高，并且有效抽采濃度的持續(xù)時間長，持續(xù)抽采時間在兩年以上，取得了良好的瓦斯抽采效果。