突出煤层采面高位拦截预抽技术优化研究

黄小波，罗德华，张 军，张运兴

(古蔺县宏达煤业有限责任公司，四川 泸州 646000)

0 引言

突出煤层群开采过程中采煤工作面的瓦斯治理是煤矿瓦斯治理的重点与难点。目前，工作面瓦斯治理采用穿层钻孔网格预抽和顺层钻孔预抽等多项措施，受煤层透气性、瓦斯吸附常数、钻孔施工以及抽采条件等多方面综合因素影响，本煤层和临近层中仍残余大量游离和吸附瓦斯，并在回采过程中不断涌入采煤工作面，造成瓦斯集聚、瓦斯超限甚至发生瓦斯事故，严重影响采煤工作面安全生产效率。因此，如何安全有效地治理采煤工作面瓦斯，不仅是工作面快速推进的需要，也是保证矿井安全生产的前提。

采煤工作面瓦斯来源于采空区、煤壁和采落煤[1-7]，且前者占据主导地位，尤其是在突出煤层群开采矿井中。目前治理采空区卸压瓦斯归纳起来主要有以下几种方式[8-12]：一是改变通风方式；二是调节风量或风压降低工作面瓦斯浓度；三是在工作面上隅角设置悬空密闭并埋管抽放采空区瓦斯；四是施工高位拦截预抽钻孔，超前预抽采空区卸压瓦斯。前3种方式都是较为被动地稀释瓦斯或隔绝瓦斯涌入工作面，仅适用于工作面瓦斯浓度较低的环境，而且不能有效地保证工作面回采安全。第4种方式从源头上避免了采空区瓦斯涌入工作面，能主动有效地改善工作面瓦斯情况。因此，治理工作面瓦斯，尤其是突出煤层群开采的工作面瓦斯，需进行高位拦截钻孔超前预抽采空区瓦斯的研究。

1 高位拦截预抽机理分析

根据钱鸣高院士的“O”形圈理论[4]：煤层开采前，原始煤层、围岩与瓦斯流体组成的系统处于平衡状态。煤层开采后，工作面后方采空区上覆煤层以及岩层产生变形、下沉及断裂等变化，形成裂隙，采空区下伏煤层也在水平构造应力作用下，向采空区空间鼓起，在层间形成大量的裂隙，最终在工作面后方一定距离处形成“O”形圈卸压带。而大量瓦斯从临近煤层及围岩中汇聚到“O”形圈内，并通过贯通的裂隙空间向着采空区和工作面涌出，如图1所示。

图1 “O”形圈示意图

因此，高位拦截预抽成功的关键在于找准工作面后方的“O”形圈卸压带，并将钻孔科学合理地布置在卸压带中进行充分拦截预抽，从源头上减少采煤工作面瓦斯涌出量，防止回风及上隅角瓦斯超限。

2 “O”形圈范围确定数值模拟研究

研究表明[4-6]：工作面上覆岩层裂隙分布规律为冒落带高度0～8 m(约5倍采高)，裂隙带的高度8～25 m(约10倍采高)；袁亮院士提出的煤与瓦斯共采理论亦表明，采煤工作面的“O”形圈卸压带主要分布在工作面采空区两侧(宽0～30 m，高8～15 m)的环形裂隙区内，在裂隙区内进行预抽，抽采率可达65%以上。为进一步确定和核实“O”形圈范围，需要进行数值模拟分析加以确定。

2.1 数值模拟模型

数值模拟采用FLAC3D软件，以宏达煤矿2242采煤工作面的钻孔柱状图为基础并结合工程实际地质条件及回采条件建立模型，如图2所示。

图2 三维网格划分模型图

模型只模拟煤层附近100 m左右范围内的岩体，模型上部的岩体的自重，将在模型上面施加载荷模拟，同时，在不影响计算结果的前提下简化模型工作面长度，工作面长度为100 m，整个模型的尺寸为：300 m(x)×300 m(y)×100 m(z)，计算模型共划分有115 680个单元，125 829个节点。建立的数值模型，X轴方向为工作面方向，Y轴沿巷道方向，Z轴为重力方向。

2.2 边界条件的确定

位移边界条件：由于模拟的是整个煤层开挖影响区域，x=0 m、x=300 m面上X方向位移被约束，Y、Z方向自由；y=0 m、y=300 m面上Y方向位移被约束，X、Z方向自由；z=0面上Z方向位移被约束，X、Y方向自由。

应力边界条件：为使模拟结果更加接近实际，模型的应力边界条件按照实际测定结果进行设定。由于所建模型高度为100 m，模型顶部距地面平均深度230 m，以每米重量0.025 MN计算，需要在模型顶面施加上覆盖岩层的重量约为5.75 MPa载荷。

计算中覆岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用摩尔-库仑准则。计算所涉及的岩石力学参数包括：抗拉强度、体积模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角与密度等。本次模拟采用摩尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏。

式中：σ1—最大主应力；σ3—最小主应力；C、φ—粘结力和摩擦角。当fs>0时，模拟材料将发生破坏。在通常情况下，岩体抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则(σ1≥σ3)作为判断岩体是否产生抗拉破坏的标准。

2.3 数值模拟结果分析

图3为煤层开采后围岩应力分布情况和围岩塑性区发育情况。由图看出，下层煤工作面开挖后，应力分布和塑性区有进一步的发展，但发展幅度不大。应力和塑性破坏区均呈现马鞍形的分布形态。由于工作面错开，错开搭接量的煤岩体均呈现卸压状态。观察塑性区发育情况发现，即便在下层煤开采后，开采边界左侧的煤体仍未完全破坏，仍存在绿色的未破坏区，而在右侧的开采边界附近的煤岩体由于受到高支承压力的影响，煤岩体的破坏深度较大，破坏范围较广，可见，在卸压区的巷道掘进对围岩的扰动程度非常小。另外由于受开采边界处断裂线的剪切影响，与上层煤开采的情况类似，底板的塑性区发育的情况较深，其实这也与实际中岩层移动形成垮落角和垮落线有关，岩体剪切造成破坏向开采边界底角深处延伸。观察下层煤开采结束后底板应力分布情况发现，底板采空区应力几乎为零，支承压力峰值接近20 MPa，应力集中系数达到2.67，与开采上层煤的情况类似。观察下层煤开采结束后主应力分布情况发现，主应力分布情况较上层煤开采后的情况变化不大，除了右侧主应力向右侧继续拓展了一段距离，这是由于下层煤较上层煤位错了5 m，同时这也表明近全工作面长度的开采范围在上层煤开采的卸压区下方，下层煤开采对应力分布的影响几乎可以忽略，对围岩造成的扰动也较小。岩层下沉云图显示下分层开采后覆岩的移动量加大，表明下层煤开采虽然对应力及塑性区发育影响不大，但对覆岩下沉有一定的影响。

a-开采后围岩应力分布；b-开采结束后塑性区分布图3 煤层开采后围岩应力分布情况和围岩塑性区发育情况

数值模拟结果显示，“O”形圈的范围为：沿工作面倾斜方向分别为工作面风巷以上15 m范围、工作面风巷以下25 m范围，高度为8～18倍采高范围。

3 工程实践

3.1 选择地点

工程实践地点选在古蔺县宏达煤业有限责任公司宏达煤矿2242采煤工作面，煤层编号C24，属于煤与瓦斯突出煤层。该工作面位于二采区+470～+530 m，最大埋深为452 m，最小埋深为392 m，煤层平均厚度1.4 m，北部为采区边界，东部为井田边界，南部和西部为未开采工作面，上覆煤层主要为C19和C13两层煤，层间距分别为13 m和25 m。该工作面属于被保护开采，根据相邻采掘工作面预计，相对瓦斯涌出量为8.30 m3/t、绝对瓦斯涌出量为2.88 m3/min，实测最大残余瓦斯含量为2.89 m3/t，残余瓦斯压力为0.12 MPa，效检达标，无突出危险。由于该工作面位于二采区首采区段，回风巷与上保护层工作面回风巷外错，与沿工作面倾向方向尚余50 m属于未保护区域。虽然在采掘作业前已严格执行两个“四位一体”防突措施，但为防止工作面回采过程上隅角及回风瓦斯超限，仍需要采取高位拦截预抽措施对卸压瓦斯进行有效管控。

3.2 顶抽方式

高位拦截预抽方式采用在工作面回风巷低帮侧间隔一定距离布置钻场施工走向顶板长钻孔进行瓦斯预抽。钻场尺寸为3 m×3 m×2.5 m(长×宽×高)(视现场而定，主要考虑钻机外形尺寸、煤层赋存、顶板围岩特性等)，破煤层顶板，钻场间距40 m(视钻机钻进能力而定，矿井采用1250型钻机，实践验证60 m左右钻进性能最佳)，钻孔开孔位置布置在顶板岩层中，沿煤层走向施工至采空区后方“O”形圈卸压带内。为了避免钻孔垮塌、变形，进一步增长钻孔有效抽采周期，在钻孔施工完毕后，将套管下到钻孔内，以保护钻孔，延长钻孔有效抽采周期，如图4所示。

a-平面图；b-剖面图图4 高位拦截钻孔布置示意图

3.3 结果检验

为验证数值模拟结果的准确性，除了在“O”形圈卸压带范围内布置钻孔外，还在临近区连续布置系列钻孔进行对比分析。钻孔终孔间距为5 m，垂直方向终孔控制范围为10～25 m，符合数值计算的8～18倍范围，倾向方向分别控制工作面风巷以下50 m和风巷以上20 m，超过数值计算的卸压范围，钻孔终孔布置如图5所示。图5中虚线区域瓦斯浓度升高，为合理抽采区域。

图5 工作面高位拦截预抽钻孔终孔布置设计

钻孔施工完成后，立即封孔投抽，抽采负压保证在15～25 kPa之间，各钻孔抽采效果见表1。

通过对表1统计分析，得出如下结论：①即使高位钻孔终孔位置全部位于“O”形卸压带内，抽采效果亦有显著差异，具体来说，钻孔终孔位置布置在最上层未采动煤层中时，预抽效果最佳。5#、7#、9#、11#、13#孔抽采浓度均证实了这一点，平均单孔浓度达到72%以上，15#、21#、26#孔瓦斯浓度在不同距离处也有大幅增加，其余大部分钻孔抽采效果甚微；②倾斜方向钻孔终孔位置布置在工作面风巷以下25 m和风巷以上15 m范围时，抽采效果最佳，其余大部分钻孔效果甚微，这与数值模拟的结果基本吻合。

表1 钻孔抽采效果分析表

经过工程实践，宏达煤矿2242采面实施高位拦截钻孔预抽卸压瓦斯后，上隅角及回风瓦斯浓度均在0.8%以下，有效地解决了工作面回采期间的上隅角及回风瓦斯超限问题，避免了以往因瓦斯超限停采治灾等情况，大大减少了瓦斯类生产影响，自工作面开采以来，未发生过瓦斯超限报警事故，有效提高了工作面安全生产效率，取得了良好的效果。

4 结论

(1)通过高位拦截预抽机理分析和数值模拟计算，确定了“O”形圈卸压带范围，并经过工程实践进一步验证了其准确性和可靠性，具体为：倾斜方向沿采煤工作面风巷以下25 m至风巷以上15 m共计40 m范围，垂直方向为8～18倍采高。高位拦截预抽钻孔布置在煤层或软弱岩层中具有推广意义。

(2)高位拦截预抽钻孔长度及钻场布置应根据钻机钻进性能合理确定，以成孔率高和定向准确的最大钻孔长度为最佳；终孔位置应均匀布置在“O”形圈卸压带的倾斜方向，垂直方向布置在最上层未采动煤层，预抽效果最佳。