綜放工作面高位定向鉆孔布置優(yōu)化分析

曹文超，龔選平，孫 峰，高 涵

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054； 2.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X分公司，山西 河津 043300)

隨著礦井機(jī)械化開采水平的不斷提高，建設(shè)高產(chǎn)高效工作面已逐步成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，綜采放頂煤技術(shù)作為高產(chǎn)高效開采的重要手段，由于受放煤工藝的影響采空區(qū)遺煤易發(fā)生自燃和瓦斯積聚問題[1-2]，進(jìn)而制約礦井安全高效開采。目前，典型的煤層低瓦斯含量、低透氣性、高強(qiáng)度開采、高瓦斯涌出特征的優(yōu)質(zhì)資源礦井亦開始面臨上隅角瓦斯超限問題困擾，傳統(tǒng)的煤層預(yù)抽方法在此類礦井的上隅角瓦斯治理工作中效果不明顯，其瓦斯治理工作主要依靠高位鉆孔、采空區(qū)埋管或插管、頂板抽采巷等手段開展采空區(qū)瓦斯治理[3-5]。

隨著國(guó)內(nèi)定向鉆進(jìn)技術(shù)及設(shè)備的完善和普及，越來越多的礦井逐漸利用頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔替代原來的普通頂板高位鉆孔和專用瓦斯抽采巷，頂板大直徑、長(zhǎng)距離定向鉆孔在采空區(qū)瓦斯治理中逐步開始推廣普及。對(duì)于因高產(chǎn)導(dǎo)致的高瓦斯，實(shí)際煤層瓦斯含量不高的綜采放頂煤生產(chǎn)礦井，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)成為最有效的瓦斯抽采技術(shù)之一[6-10]。高位鉆孔抽采瓦斯的最佳布置層位應(yīng)為采空區(qū)頂板瓦斯富集區(qū)域的斷裂帶內(nèi)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在覆巖運(yùn)移及裂隙分布等方面提出了“O型圈”[11]、“高位環(huán)形裂隙體”[12]、“橢拋帶”[13]等理論。然而受礦井覆巖巖性及分布、埋藏深度、地應(yīng)力等因素的影響，不同礦井的采空區(qū)裂隙分布范圍亦需要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行單獨(dú)確定。

針對(duì)具有典型“低瓦斯含量、低透氣性、高強(qiáng)度開采”特征的綜放工作面高位定向鉆孔高效抽采問題，以山西王家?guī)X煤礦為工程背景，利用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)高強(qiáng)度開采的煤層采空區(qū)頂板裂隙分布規(guī)律進(jìn)行研究，分析開采過程中頂板的應(yīng)力和裂隙分布，定量化確定采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育范圍，對(duì)礦井的高位鉆孔布置及采空區(qū)瓦斯治理工作具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)礦井概況

山西王家?guī)X煤礦井田面積為119.71 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6.0 Mt/a，目前主要開采2號(hào)煤層，平均煤厚6.05 m。該礦井為低瓦斯含量的高瓦斯礦井。

12318綜放工作面走向長(zhǎng)3 270 m，傾向長(zhǎng)300 m，平均開采深度500 m左右，煤層厚度平均6 m。煤層傾角-3°～+4°，工作面瓦斯含量4.3 m3/t。開采期間工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量6.8 m3/min，工作面生產(chǎn)時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù))為0.40%～0.69%，且當(dāng)開采強(qiáng)度變大時(shí)，偶有瓦斯預(yù)警情況發(fā)生。根據(jù)礦井礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面初次來壓步距為50 m，周期來壓步距為22 m，控頂距為5 m。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，全部垮落法控制頂板。工作面直接頂為松軟、灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.6 m；老頂為半堅(jiān)硬、淺灰色細(xì)粒砂巖；直接底為松軟、黑灰色泥巖，平均厚度0.6 m；老底為灰黑色粉砂巖。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型

利用UDEC離散元數(shù)值模擬軟件，模擬研究綜采放頂煤工作面采空區(qū)上覆巖層在傾向一次性開挖時(shí)的應(yīng)力和裂隙分布規(guī)律[14-16]。

根據(jù)試驗(yàn)礦井綜放工作面綜合巖層柱狀圖，采用平面應(yīng)變模型建立傾向數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 覆巖數(shù)值模型

模型長(zhǎng)400 m、高200 m，工作面傾向長(zhǎng)300 m，兩側(cè)邊界各預(yù)留50 m距離進(jìn)行開挖。模型的上邊界施加下向等效均勻載荷用于模擬上覆巖體自身重力；下邊界設(shè)定全向約束；兩端邊界約束水平位移，同時(shí)施加水平約束應(yīng)力。模型煤巖體關(guān)系采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則，煤巖體節(jié)理根據(jù)厚度隨機(jī)劃分。模擬工作面傾向長(zhǎng)300 m、高6 m煤體的一次開挖時(shí)的應(yīng)力及裂隙分布情況。模型中各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各煤巖層主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

工作面受采動(dòng)影響下覆巖應(yīng)力和裂隙分布數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可以看出：工作面開挖后，覆巖原有應(yīng)力平衡被破壞，應(yīng)力重新分布并達(dá)到平衡；頂板覆巖應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱性，應(yīng)力呈類似拋物線形分布狀態(tài)；模型兩端形成高應(yīng)力分布的支撐區(qū)，覆巖中上部應(yīng)力自上向下呈逐漸變小趨勢(shì)。

(a)工作面覆巖應(yīng)力分布

由圖2(b)可以看出：采空區(qū)頂板覆巖形成的橫向和豎向裂隙交錯(cuò)分布，頂板裂隙呈類拋物線形分布特征；煤層頂板上部一定范圍內(nèi)巖體受上部巖體垮落擠壓影響，為中部壓實(shí)區(qū)；煤層頂板中上部區(qū)域巖體受下向應(yīng)力影響，主要以少量豎向裂隙分布為主；頂板中上部?jī)蓚?cè)區(qū)域受剪切應(yīng)力影響，在一定范圍內(nèi)橫向和豎向裂隙發(fā)育明顯。

通過定性和定量化綜合分析可以得出：煤層上部法向距離21～23 m為垮落帶最大高度范圍，法向距離24～47 m為橫向和豎向裂隙分布密集的斷裂帶高濃度瓦斯富集區(qū)域，法向距離48～75 m裂隙發(fā)育相對(duì)不充分；兩側(cè)裂隙發(fā)育區(qū)寬度為52 m。

3 高位定向鉆孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 煤層圍巖斷裂帶范圍優(yōu)化選擇

12318工作面2#高位鉆場(chǎng)高位定向鉆孔依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，垮落帶高度采用公式(1)計(jì)算，斷裂帶高度采用公式(2)計(jì)算：

Hm=(3～4)M

(1)

Hl=100M/(1.6M+3.6)±5.6

(2)

式中：Hm為垮落帶最大高度，m；M為工作面采高，m；Hl為斷裂帶最大高度，m。

根據(jù)公式計(jì)算得出垮落帶最大高度范圍為18～24 m，斷裂帶最大高度范圍為40～51 m。

經(jīng)考察2#鉆場(chǎng)抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)的2#鉆場(chǎng)高位定向鉆孔未達(dá)到預(yù)期抽采效果。采用數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)煤層上覆巖層垮落帶及斷裂帶的分布范圍進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表2。

表2 圍巖垮落帶和斷裂帶分布范圍優(yōu)化選擇

3.2 高位鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)覆巖采動(dòng)橢拋帶理論，當(dāng)綜放工作面經(jīng)過初次來壓、周期來壓等過程的充分采動(dòng)影響后，工作面中部壓實(shí)，兩側(cè)區(qū)域形成一定寬度的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，在傾向方向采動(dòng)裂隙場(chǎng)均呈現(xiàn)拋物線形分布。高位定向長(zhǎng)鉆孔布置需從平距和層位綜合考慮，應(yīng)布置在橫向和豎向裂隙分布密集的高瓦斯富集區(qū)域的斷裂帶，才能保證抽采效果。

一般情況下，采空區(qū)上方壓實(shí)區(qū)至巷道水平距離小于初次來壓步距(50 m)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，綜合確定高位鉆孔布置平距取最大值50 m。根據(jù)綜合分析結(jié)果及高位鉆孔抽采經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步提升高位鉆孔抽采效果，經(jīng)分析優(yōu)化較為合理的高位鉆孔布置層位和平距數(shù)據(jù)見表3。

表3 鉆孔布置層位和平距優(yōu)化數(shù)據(jù)

4 抽采效果考察

4.1 高位定向鉆孔布置方案對(duì)比

為現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證高位定向鉆孔優(yōu)化參數(shù)的可靠性，在12318工作面回風(fēng)巷2#鉆場(chǎng)之后設(shè)計(jì)了3#鉆場(chǎng)，3#鉆場(chǎng)內(nèi)的高位鉆孔布置參數(shù)按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行布置，并結(jié)合鉆孔抽采量預(yù)期增加了鉆孔數(shù)量。3#鉆場(chǎng)內(nèi)布置4個(gè)高位定向鉆孔，鉆孔孔徑133 mm，鉆孔長(zhǎng)度500 m左右。高位鉆場(chǎng)布置參數(shù)見表4，3#鉆場(chǎng)高位鉆孔布置圖如圖3所示。

表4 高位鉆場(chǎng)布置參數(shù)

(a)鉆孔布置平面圖

4.2 抽采效果對(duì)比分析

根據(jù)高位鉆孔對(duì)比實(shí)施方案，對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)高位鉆孔穩(wěn)定抽采期間的瓦斯數(shù)據(jù)，對(duì)比高位鉆孔布置優(yōu)化前、優(yōu)化后單個(gè)抽采鉆孔的抽采效果，如圖4所示。

(a)抽采瓦斯?jié)舛?/p>

由圖4可知：2-1、2-2、2-3鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù)，下同)為6.0%～15.0%，最高濃度僅16.6%，3個(gè)鉆孔的平均抽采瓦斯?jié)舛葹?.3%，單個(gè)鉆孔抽采瓦斯純量平均僅0.40 m3/min；優(yōu)化高位鉆孔布置后，3#鉆場(chǎng)的4個(gè)鉆孔抽采能力有了明顯提升，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛仍?0.0%～25.0%，平均濃度達(dá)到16.3%，單個(gè)鉆孔平均抽采瓦斯純量達(dá)到0.85 m3/min；高位鉆孔優(yōu)化后鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣?.0倍，平均抽采瓦斯純量提高 1.1倍。

優(yōu)化前后12318工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖5所示?？梢钥闯?，高位定向鉆孔優(yōu)化后上隅角平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.60%下降至0.39%，采煤工作面回風(fēng)巷抽采前后平均瓦斯?jié)舛扔?.37%下降至0.22%。結(jié)合高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴赏咚辜兞康淖兓闆r，可以明顯看出，優(yōu)化后的高位定向鉆孔有效降低了上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋V井采空區(qū)瓦斯治理效果有明顯提升。

圖5 兩個(gè)鉆場(chǎng)抽采期間上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓闆r

5 結(jié)論

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，確定垮落帶最大高度范圍為煤層上部法向距離21～23 m，裂隙分布密集的高瓦斯富集區(qū)域斷裂帶分布范圍為煤層上部法向距離24～47 m，法向距離48～75 m區(qū)域裂隙發(fā)育相對(duì)不充分，兩側(cè)裂隙發(fā)育區(qū)寬度為52 m。

2)12318工作面高位定向鉆孔較為合理的布置平距為距回風(fēng)巷20～50 m，較為合理的布置層位為距煤層頂板25～45 m范圍，鉆孔應(yīng)分散均勻布置。

3)3#鉆場(chǎng)經(jīng)過優(yōu)化后，鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣?.0倍，平均抽采瓦斯純量提高1.1倍，上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@降低，采空區(qū)瓦斯治理效果明顯提升。