近距离下保护层工作面穿层钻孔抽采效果分析

闫学太

(平煤神马建工集团有限公司，河南省平顶山市，467000)

保护层开采是煤矿瓦斯治理最有效、最经济的技术措施。在强突出单一煤层条件下，开采煤层顶板或底板薄煤层及松软泥岩，人为创建保护层开采条件是众多研究者关注的焦点。厚煤层近距离底板薄煤层开采后，开采层顶板裂隙分布特性对开采层本身的瓦斯治理及被保护层瓦斯治理方式有重要的影响。

钱鸣高院士在对我国开采层覆岩破坏特性研究的基础上，提出岩层控制的关键层理论，为研究岩层内部移动的动态过程和岩层采动裂隙动态分布规律提供了强有力的理论工具；李树刚教授等通过相似模拟试验分析了采动后覆岩关键层活动特征对裂隙带分布形态的影响，提出上覆岩层中破断裂隙和离层裂隙贯通后在空间形成椭抛带分布特征；程远平、俞启香、袁亮等运用数值模拟和现场试验相结合的研究方法，研究上覆远程卸压岩体移动和裂隙分布以及远程卸压瓦斯的渗流流动特性，提出了符合远程卸压瓦斯流动特性的远程瓦斯抽采方法；石必明、俞启香、周世宁等通过对缓倾斜煤层保护层开采远距离煤岩破裂变形的研究，得出覆岩垮落及裂隙演化规律；石必明、俞启香教授基于相似材料模型试验，应用非接触式数字近景摄影技术研究远距离保护层开采过程中覆岩微变形移动特性，得出在远距离保护层开采时，被保护层位于弯曲下沉带内，它在一定范围内发生膨胀变形，引起煤层透气性增大的特性。这些研究指出了保护层开采条件瓦斯流动路径和规律，但对于近距离岩石保护层开采后，其顶板裂隙状况是否仍适用尚无明确认识。

1 试验地点概况

平煤股份十矿己四采区己15-16和己17为可采煤层，煤层间间距为4.3 m，均为低透气性突出煤层。距离己17煤层底板12.9 m的己18属非突出煤层，赋存厚度约为0.4 m。为对主采煤层进行消突，平煤股份十矿在己18煤层布置己-24130岩石保护层工作面作为己15-16和己17煤层的下保护层。己-24130岩石保护层工作面走向长709 m，倾斜宽157～160.5 m，切眼斜长156.8 m，煤层倾角5.9°～13.2°，平均倾角9.5°，采高1.8 m。考虑到己-24130工作面的降温及瓦斯管理，工作面采用“两进一回”Y型下行通风方式：工作面回采区域两条巷道均为进风，己-24150工作面的切眼及下进风巷作为己-24130工作面的回风巷，己-24130工作面下进风巷沿空留巷。工作面布置如图1所示。

图1 试验工作面布置

2 岩石保护层顶板裂隙分布特征

根据己-24130岩石保护层工作面的实际情况，对己-24130岩石保护层工作面顶板裂隙及“三带”进行了模拟分析，如图2所示。

由图2可以看出，顶板“三带”具体特征如下：

(1)垮落带。己18煤线工作面顶板垮落带最大发育高度约为8.2 m，是工作面采高的4.6倍。垮落带下部岩层为不规则垮落，上部岩层为规则垮落，在开切眼和工作面附近均有向采空区方向发育的断裂包络线，两条包络线分别与水平夹角为64°、68°且两侧基本对称。上进风巷煤层倾斜未卸压范围为8 m，其卸压角为67°，下进风巷煤层倾斜未卸压范围为11 m，其卸压角为60°。

(2)裂隙带。己18煤线工作面顶板裂隙带的最大发育高度约为29.7 m，是工作面采高的16.5倍。由于裂隙带整体范围较大，在裂隙带的中、下部区域横向、竖向裂隙绝大部分均相互连通，具备良好的透气、导水性，称为贯穿裂隙带；在裂隙带上部区域虽然同样存在横向、竖向裂隙相互连通的现象，但是与裂隙带中、下部相比，裂隙连通的广度与宽度都相对较小，称为非贯穿裂隙带。己15-16煤层位于己18煤线开采产生的裂隙带中、下部，其整体性不会受到破坏，但己15-16煤层及其围岩均具有高度的裂隙发育程度，大量瓦斯将得到释放，进入开采岩石工作面的采空区，若不采取合理的瓦斯治理措施，将进入作业巷道，对安全生产构成威胁。

(3)弯曲下沉带。己18煤线工作面的弯曲下沉带为裂隙带顶部直至地表，该带内岩层移动、沉陷过程是连续、规律的，并保持一定的整体性和层状效果，在竖直方向上，各层间移动值相差很小。

3 下进风巷顶板岩层断裂位置

为减少工作面上覆的己15-16和己17煤层瓦斯在工作面回采时涌入工作面，在己-24130工作面下进风巷布置穿层钻孔，抽采己15-16和己17煤层卸压瓦斯。

下进风巷侧顶板岩层破断位置对穿层钻孔抽采有很大的影响，为此在下进风巷预先施工穿层钻孔，通过考察穿层钻孔抽采瓦斯浓度变化判定破断位置。

3.1 钻孔布置

根据理论分析，己24130工作面开采后，其顶部岩层发生破断，破断平面将切割穿层钻孔。为此设计了不同仰角的穿层钻孔，每排布置13个钻孔，沿工作面倾向布置；沿工作面走向，每5 m布置1排，如图3所示。根据理论分析，1#～7#钻孔终孔位于下进风巷下帮及巷道顶部，岩石破断平面将不会直接切割这些钻孔，钻孔被切割情况重点分析8#～13#钻孔。

3.2 钻孔抽采瓦斯变化特征

己24130工作面下进风巷共布置120组穿层钻孔。当工作面推采46 m时，顶板已经完成初次垮落。第113～120组钻孔均处于采空区。其中，第114组距初切眼约30 m，距工作面约15 m；第115组距初切眼约25 m，距工作面约20 m，均处于采空区中部，钻孔抽采受顶板破断影响显著。对其进行钻孔瓦斯浓度分析，可以较好地分析顶板破断情况。第114组和115组钻孔抽采瓦斯浓度情况如图4所示。

图3 穿层钻孔布置图

图4 第114组和115组钻孔抽采瓦斯浓度情况

由图4(a)可以看出，该组钻孔明显的特征是：钻孔位于工作面前方时，抽采瓦斯浓度不高，约20%左右；随着钻孔距工作面距离的减小，钻孔抽采瓦斯浓度也下降，这是受工作面前方应力集中的影响，煤体透气性降低；当钻孔在工作面前方约5 m至后方20 m左右时，6#和7#钻孔抽采瓦斯浓度迅速上升并保持抽采高浓度瓦斯，这是卸压增透效应的体现。但上帮仰角较小的8#～13#钻孔随着工作面的推进以致进入采空区均未能抽采高浓度瓦斯，这是因工作面前方应力集中时，钻孔已经受压破坏。

由图4(b)可以看出，该组钻孔明显的特征是：7#、8#和9#钻孔在工作面影响区域以外时，抽采的是原始煤层瓦斯，浓度在20%左右；进入采动影响区域，抽采的瓦斯浓度迅速上升，甚至超过90%，但高浓度持续时间不长，不超过20 d。当钻孔进入采空区位置，距离工作面约15 m左右，8#钻孔瓦斯浓度出现了再一次的上升，表明8#钻孔未受采动影响破坏，抽采的是被保护的己17、己15-16煤层卸压瓦斯。但9#及角度更小的钻孔因抽采瓦斯浓度过低而关闭。应该是这些钻孔受采动影响发生了破坏，与采空区漏风联通导致抽采瓦斯浓度过低。

按设计参数施工的8#穿层钻孔，钻孔仰角约59°±5°，与相似材料模拟得到的断裂角相近，既能避开受采动影响而破坏，又能抽采到被保护的己17煤层和己15-16煤层的瓦斯，是最佳钻孔。

4 结论

(1)垮落带。己18煤线工作面顶板垮落带最大发育高度约为8.2 m，为工作面采高的4.6倍。下进风巷煤层倾斜未卸压范围为11 m，其卸压角为60°。

(2)下进风巷钻孔角度小于60°的穿层钻孔，在采空区抽采浓度很低，说明钻孔被冒落岩层断裂而与采空区连通，失去了抽采上覆煤层卸压瓦斯作用。

(3)下进风巷钻孔仰角介于6#与8#钻孔之间(59°～80°)的钻孔在采空区未被破坏，与采空区连通程度较低，是抽采上覆煤层卸压瓦斯最佳角度。

参考文献：

[1] 袁亮，郭华，沈宝堂等．低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[J].煤炭学报，2011(3)

[2] 钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制中的关键层理论研究[J].煤炭学报，1996(3)

[3] 李树刚，石平五，钱鸣高.覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究[J].矿山压力与顶板管理,1999(3-4)

[4] 程远平，俞启香，袁亮等．煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究[J].中国矿业大学学报，2004(2)

[5] 石必明，俞启香，周世宁．保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟[J]．中国矿业大学学报，2004(3)

[6] 石必明，俞启香．远距离保护层开采煤岩移动变形特性的试验研究[J]．煤炭科学技术，2005(2)