大直径顶板定向高孔综合排水技术

李海涛

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿，山西 长治 046100）

在煤矿开采过程中，煤层已经在开采过程中受到破坏。残余吸附气转化为游离气，冲进巷道。顶板、底板和围岩的游离气体也会汇聚到开采空间。这种现象在采矿业中非常普遍。煤层顶板岩层由于该水平以下的煤已开采而失去重力支撑。在这种情况下，屋顶会出现近100 m 的裂缝。屋顶造成的冲击远大于地板的冲击。因此，在“矿井瓦斯涌出率预测方法”中，将围岩瓦斯突出作为瓦斯突出的主要来源之一。而且，这种瓦斯冲击会影响上煤层100 m 左右的区域[1-4]。定向高孔定位并不总是准确，再加上定向高孔直径小，可能会坍塌，排水效果相当有限，对抽采效率和抽采效果产生不利影响。这也是许多煤矿无法消除瓦斯浓度超标事故的原因。为了解决这一问题，许多矿山采用了性能较好的RER[5-6]。

本文提出了一种超大直径顶板定向高孔技术（SDBR）来替代传统的RER 法。无线测量系统在实现超大直径、超长距离定向高孔的同时，增加了定向高孔的影响范围，实现了对钻深的精确定位。采用大直径筛管保护定向高孔全长，实现高效排水，保证工作面高产高效。该方法可以适应不同的情景，可以大大提高经济和环境绩效，从而保证煤矿的综合效益。

1 顶板超大直径定向高孔

定向高孔的定位是指定向高孔到回风巷内侧的水平距离和定向高孔到煤层顶板的垂直距离。合理的定位可以保证瓦斯抽放的连续高效。在开采过程中，采空区上方岩石的状态和应力会发生变化，从而形成崩落破碎带。在崩落带中，岩石发生一起破落，卸应力效果明显，部分岩石出现拉应力。在裂隙带中，岩石可以保持完整，但由于应力作用，裂隙的大小和渗透率大大增加，通风能力相应提高。从完整性、卸应力效果、裂缝发育等方面来看，定向高孔的合理定位在裂缝发育带，瓦斯较为丰富。FLAC3D 软件被广泛应用于分析回采过程中工作面应力场的变化。利用该软件可以对采空区上方岩层在开采后的应力释放状态进行研究，从而进一步确定裂隙带的范围和定向高孔的合理位置。

1.1 模型设置

根据某煤矿的地质条件，建立了长壁法开采的地质模型。模型的长、宽、高分别为500 m、480 m、150 m。该煤矿地应力梯度约为0.025 MPa/m。考虑到模型顶部在地表以下约550 m 处，在模型顶部加载了13.75 MPa的压应力作为地应力。与此同时，滚动边界和固定边界分别在另一侧和底面加载。图1 为模型的综合直方图和网格方法。该模型是根据南水北调1308 长壁工作面建立的。煤层开采宽度为220 m，x 方向为130～350 m；长度为200m，y 向长度为150～350m；采动高度4.7 m，z 向0～4.7 m。应力分析选取的剖面位于垂直于开采方向（y 方向）的y=225 m 处。利用FLAC3D 软件记录A 区（采空区上方0～80 m）采前、采后的岩体应力。该软件对每挖掘2 m 的长度迭代250 步。根据赵庄煤矿取心定向高孔典型试验值，岩体参数见表1。

表1 岩体性质在FLAC3D 软件中的应用

图1 三维几何模型计算

1.2 仿真结果分析

卸荷瓦斯流动受岩体渗透性的影响，而岩体渗透性又受裂缝的闭合和打开的影响。裂纹的开闭受正应力的影响较大。单个裂缝的无因次渗透率Kt为：

式中：σn0为初始法向应力；Kf为单个裂纹的无因次渗透率；σn/σn0为初始法向应力的倍数。

在式（1）中，裂缝正应力比减小，渗透率显著增加。采前、采后工作面A 区岩石沿坐标轴的应力比如图1 所示。水平应力比（σx/σx0和σy/σy0）和垂直应力比（σz/σz0）结果表明，采空区上方主应力的解除范围（即应力比小于1）分别位于z 坐标4.7～55 m 和x坐标150～330 m 范围内。在z=4.7～28 m 区域，特别是采空区中部岩层，由于裂隙的出现，水平方向出现拉应力，该区域属于崩落带。在z=28～55 m 范围内，随着正应力的解除，岩石裂缝宽度增大，导致渗透率增加，气体聚集，使该区域成为裂缝发育区。因此，定向高孔应靠近裂缝带上部，以更好地提取高浓度瓦斯。综上所述，认为合理的定向高孔位置在55～60 m 范围内。以煤层顶板为参考平面，煤层厚度为4.7 m，定向高孔应合理布置在顶板上方50～55m 范围内（如图2 所示）。

图2 A 区岩体开采前后的应力比

图3 显示了岩石应力比沿轴方向50 m 和55 m处煤层上方屋顶的变化趋势，这表明定向高孔位置越靠近上部岩石破碎区，减压的效果会越差，特别是水平应力的卸压效果。此处岩石的降压作用不足以支撑采空区瓦斯向上运移，瓦斯在裂隙带上缘聚集。在煤层顶板上方55 m 处，平均水平应力比为0.72。从水平降压效果来看，在煤层顶板上方50～55 m 处定向高孔是合理的。垂直应力比反映了垂直裂缝的大小和水平裂缝中的气体流动性。在50 m 和55 m处，岩石的垂直应力比远远小于水平应力比，说明在该区域内，同一高度下，对水平裂缝的增强作用更为显著。因此，受采空区风的影响，瓦斯更容易聚集在回风气道的一侧。在回风巷道工作面附近设置定向高孔有利于提高瓦斯抽放效率。它们分别离巷道内侧5 m 和20 m。定向高孔应在回流气道的一侧，因为那里的气体密度较高，但要注意应力集中，这可能会对抽采性能产生不利影响。综上所述，定向高孔应设计在距离回风道内侧20～25 m 的水平方向上。

图3 煤层顶板以上50 m 和55 m 岩体轴向应力比值

2 结论

本文提出了另一种瓦斯治理方法，利用应力—渗透关系模型和数值模拟，确定了定向高孔到工作面的水平距离和到顶板的垂直距离。同时，在某煤矿相同地质、气候条件下，对相邻三个工作面进行了试验，确定了同一时期的日累计回采量。结果表明，当SDBR 垂直距离煤层顶板50～55 m，水平距离回风巷20～25 m 时，提取效果最佳。因此，SDBR 可以替代传统的RER 法。