走向长钻孔群立体空间关键参数研究及工程应用

杨 鹏

(中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着矿井生产能力的提升，瓦斯灾害的问题也越发凸显，并成为制约矿井安全高产高效的最主要因素之一[1]。近些年，由于钻进装备的高速发展，使用定向钻机施工大孔径的走向长钻孔群来替代高抽巷[2]已经成为上隅角瓦斯治理的主流。定向钻机具有灵活机动、轨迹可调、费用较低等优势，但是常规采用的孔径和孔深有限，因此需根据现场需求施工多个钻场进行有效搭接，每个钻场施工多个钻孔相互配合，通过走向长钻孔群替代顶板高抽巷抽采瓦斯的作用。

国内众多专家学者针对走向长钻孔治理工作面瓦斯做了大量的科研工作，程志恒等[3]利用3DEC软件模拟计算了综采工作面回采期间采空区顶板裂隙演化过程，并进行了现场工程试验；张浩权[4]采用数值模拟的方法，研究了近场瓦斯高效抽采区域，提出了基于低位顶板走向长钻孔的采空区近场瓦斯抽采技术，降低了采空区瓦斯涌出量；谢小平等[5]分析了工作面顶板裂隙与卸压煤层瓦斯富集的关系，提出了顶板千米定向钻孔抽采采空区上部集聚卸压瓦斯的技术方案；林海飞等[6]利用物理相似模拟及理论分析，确定了定向钻机参数并进行了现场工程应用；彭冬等[7]通过研究高位定向钻孔层位与瓦斯抽采效果的关联特性，得出同一层距区和错距区内的最佳布孔层位；李文刚等[8]采用理论分析与数值模拟相结合的手段确定顶板高位定向长钻孔布置层位及钻孔结构，设计高位定向长钻孔进行采空区瓦斯抽采，实现了高效稳定治理采空区瓦斯的目的；侯国培等[9]根据“O形圈”理论，通过对比分析不同布孔高度定向长距离钻孔的瓦斯抽采数据及效果，得出布置定向钻孔的最佳高度。为实现最优的钻孔群搭配，尽可能减少钻孔施工工程量，笔者在参考以上专家学者研究成果的基础上，采用理论分析、数值模拟、物理相似模拟和现场实践等方法，综合考虑工作面开采方式、层间岩性、通风方式、工作面瓦斯流场和有效抽放距离等多重因素[10]，确定走向长钻孔群立体空间关键参数，以期为走向长钻孔抽采卸压瓦斯提供一些技术参考。

1 工作面概况

王家岭矿主采2号煤层，采用综采放顶煤采煤方法，长壁综合机械化采煤工艺；工作面煤层推进长度为3300 m左右，工作面长度为300 m左右，工作面煤层平均厚度为6.0 m，割煤高度为3.1 m，放煤厚度为2.9 m，采放比为1∶0.94。煤层顶板以上覆岩主要以砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩为主；基本顶为一层中～细粒砂岩；底板为粉砂岩和泥岩。

工作面采用“U型”通风，风量为2387 m3/min。瓦斯等级鉴定结果为高瓦斯矿井，工作面割、放煤期间，大量煤体破碎后释放瓦斯是工作面的主要瓦斯来源；游离瓦斯随风流扩散至采空区积存，在上隅角造成瓦斯异常，是工作面瓦斯治理的重点。矿井采用“顶板高位定向钻孔+回风隅角埋管”方法治理瓦斯。

矿井在风井场地建有地面永久瓦斯抽采系统，实现了高、低负压独立抽采，安装有4套2BEC-72型水环真空泵，2用2备。高负压抽采系统用于接抽高位定向长钻孔，低负压抽采系统用于接抽上隅角埋管。

2 走向长钻孔群立体空间关键参数

2.1 走向长钻孔群抽采卸压瓦斯原理

煤层在开采过程中，卸压后的顶板覆岩出现膨胀变形继而形成不断动态变化的采动裂隙带[11，12]，顶板覆岩形成的层间空隙，不仅是卸压瓦斯的良好存储区域，同时提供了瓦斯流动的通道[13]。受风流影响，富集区的瓦斯随着工作面漏风风流溢散而出，在回风巷上隅角形成聚集，极易造成上隅角瓦斯超限。利用走向长钻孔抽采卸压瓦斯原理就是将钻孔作为引导卸压瓦斯的主通道，通过抽采负压产生的大流量，改变卸压瓦斯的流向，强行将大量游离瓦斯通过抽采方法解决，减轻工作面的风排瓦斯压力。

影响走向长钻孔抽采瓦斯效果有多种因素，关键在于钻孔在空间上的合理布置。一般而言，合理的钻孔位置应该根据工作面布置方式、开采方法、瓦斯来源及矿压显现规律，在纵向布置高、中和低空间立体层位的钻孔，以满足工作面初采期和正常生产期的卸压瓦斯抽采；在倾斜方向应该充分考虑工作面长度、采场通风等影响，布置近、中、远不同位置的钻孔，发挥钻孔拦截和引流多重作用，充分抽采卸压瓦斯，解决上隅角瓦斯问题；在工作面推进方向，应综合考虑顶板岩性、巷道长度、钻孔有效抽放距离和钻孔搭接等因素，布置多组钻场合理搭配。

2.2 顶板覆岩裂隙空间关键参数

走向长钻孔在煤层顶板以上布置层位直接影响瓦斯抽采效果。一般而言，层位布置越高，有效的抽采长度就越长，但层位太高，工作面后方一定距离的区域会成为钻孔影响的盲区，无法有效解决上隅角瓦斯涌出，层位布置太低，又影响钻孔的成孔率和有效抽采长度；钻孔布置在裂隙带渗透率较大的位置能够获得较为理想的抽采效果，但不一定能够兼顾瓦斯抽采浓度和工作面安全生产。由于初次来压之前和正常生产期的工作面瓦斯来源不同[14]，走向长钻孔空间布置也不同。因此需对采场矿山压力显现规律[15，16]进行综合分析。

2.2.1 “竖三带”高度计算

煤层倾角近水平，工作面上覆岩层为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩等，顶板采用全部垮落，根据经验公式，冒落带、裂隙带理论高度计算如式(1)和(2)。

H1=(3～4)M

(1)

式中，H1为冒落带高度，m；M为采高，取6 m；Hf为裂隙带高度，m；n为煤层分层层数。

将工作面相关信息带入公式，对上式进行求解，可得到冒落带的最大理论高度为24 m，裂隙带的最大理论高度为89.6 m，89.6 m以上为弯曲下沉带。

2.2.2 物理相似模拟分析

根据煤层埋深确定上覆岩层的厚度为217 m，工作面推进长度为3300 m，倾斜长300 m，煤层倾角取3°，平均煤厚为6.0 m，工作面每日平均推进距离为5.6 m。搭建二维模型完成物理相似模拟分析试验，平面模型的尺寸为2.5 m×2 m×0.2 m(长×高×宽)，最大载荷20 t，每次装填岩层的厚度不超过2 cm，不低于0.5 cm，自然分层采用云母粉。以工作面地质情况为基础，对关键层位的特性进行总结并简化处理，相似模拟总厚度取240 m，底板、煤层、顶板合计33层，其中煤厚6 m，底板17 m，上覆岩层的厚度为217 m。综合考虑试验的可靠性和易操作性，比例关系取值如下：几何相似比1∶200；容重相似比1∶1.5；时间相似比1∶12；应力相似比1∶150。设计模型高为1.2 m，煤厚取0.03 m，底板厚度取0.085 m。

开采后的矿山压力显现规律相似模拟分析如图1所示，初次来压发生在工作面推进至50 m处，顶板覆岩出现首次明显的破断和离层，最大冒落高度为顶板以上12 m；第一次周期来压发生在工作面推进至80 m处，冒落高度覆盖至顶板以上20 m处，破断和离层区域明显增大；随着工作面的继续推进，发生多次周期性来压，第五次周期来压发生在工作面推进至170 m处，冒落高度继续增加，但是幅度减弱，距离顶板25 m，破断和离层区域继续增大，同时出现较为明显的“竖三带”，其中裂隙带高度约60 m左右；工作面推进至360 m处发生第十二次周期来压，采空区顶板覆岩形成压实区和裂隙区，冒落带高度为28 m左右，裂隙带高度为119 m左右。裂隙区成为瓦斯富集[17，18]的重点区域，范围为28～48 m。

图1 矿山压力显现规律模拟

2.2.3 空间关键参数确定

以物理相似模拟实验为基础，通过现场跟踪观测工作面矿压基本参数，综合判定初次来压步距为50 m左右，周期来压步距为20 m左右。综合经验公式计算和相似模拟研究结果，确定顶板冒落带最大高度为28 m，裂隙带最大高度为119 m；瓦斯富集重点区域范围为28～48 m。

2.3 采空区瓦斯分布空间关键参数

利用COMSOL软件对采空区瓦斯浓度分布规律进行模拟。数值模型构建如下：进(回)风巷的尺寸为50 m×5 m×3 m(长×宽×高)，形状为长方体；工作面的尺寸为300 m×5 m×3 m(长×宽×高)，形状为长方体。

顶板冒落带高度为28 m，裂隙带高度为119 m；根据孔隙率将采空区和顶板岩层划分为15个区域，模型设计为矩形梯台体，边界条件设置如下：入口边界为进风巷，入口处风速取值为测风旬报的平均值，忽略边界湍流且瓦斯浓度为0。出口边界为回风巷，设置为压力流出。涉及到的固体边界全部设置成壁面，初始压力均设置为大气压。设定达西定律多物理场和多孔介质稀物质流动耦合求解。模拟出的采空区瓦斯浓度分布如图2所示。

图2 采空区瓦斯浓度分布(%)

从采空区瓦斯浓度分布图可知，回风侧采场瓦斯浓度大于进风侧，距离工作面越远瓦斯浓度越大；采场瓦斯浓度等值面以工作面布置为基础，呈现梯形形状，靠近工作面一侧宽，远离工作面一侧变窄，靠近进风一侧浓度变化较小，越靠近回风侧瓦斯浓度变化越大，越靠近采空区深部，等值面的分布越密集；回风巷向里延伸至采空区，向外至上隅角是瓦斯浓度的高分布区；沿推进方向距离工作面越远，瓦斯浓度越高；高浓度瓦斯主要分布在采空区深部和顶板以上岩层的高度发育裂隙中，超过该区域进入弯曲下沉带，由于裂隙较小，瓦斯浓度比中部有降低趋势。工作面割、落煤涌出瓦斯在风流的影响下，一部分沿着工作面汇入回风巷，一部分被工作面漏风带入采空区，同时受到采动影响，邻近层的瓦斯也涌入到采空区，在漏风风流的作用下，采空区聚集的瓦斯经过上隅角由回风巷排出。瓦斯浓度超过20%的区域主要分布在回风巷内错[19]60 m左右范围内。

2.4 钻场合理搭接空间关键参数

在孔口负压、钻孔直径、抽采流量和钻孔长度不同的条件下，抽采钻孔孔内负压分布与钻孔长度呈负指数关系，因此超长距离的钻孔并不利于瓦斯抽采。合理的钻场间距[20]不仅可以避免抽采影响区存在空白区，实现连续抽采，而且两组钻孔之间不会因搭接段过长而造成工程浪费。

2号煤层顶板大部分为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，通过对钻孔施工现场观测，当走向长钻孔施工距离超过500 m时，出现钻孔变形严重，孔内错动程度加剧，钻孔下段孔壁裂隙发育，上部孔壁岩石脱落堵塞钻孔，导致抽采效果不佳；对不同搭接距离的钻孔抽采数据进行统计分析，在搭接距离小于80 m后，抽采总纯量有明显的下降。因此钻场间距应不大于500 m，相邻钻场钻孔搭接距离不小于80 m。

3 走向长钻孔群立体空间设计及工程应用

3.1 走向长钻孔群立体空间设计

综合以上研究，上隅角瓦斯治理是确保工作面安全生产的关键。以上隅角位置为坐标原点，走向长钻孔群立体空间用X-Y-Z坐标轴表示，研究回风巷内错平距的分布，沿工作面推进方向的钻场搭接以及走向长钻孔群在工作面顶板以上层位的分布。

1)在X轴方向，在顶板以上同一高度，内错距离与回风巷太近时，巷道附近未垮落的区域因卸压不充分影响瓦斯抽采；内错距离与回风巷太远时，远离了瓦斯高浓度区，走向长钻孔治理瓦斯的功能作用未完全发挥。综合分析可知，设计走向长钻孔距离回风巷平距分布范围为10～60 m。

2)在Y轴方向，以钻孔工程施工性价比最高为目标，综合考虑层间岩性、钻孔成孔质量、钻孔的有效抽采距离和抽采效果，综合分析可知，设计钻场间距不大于500 m，相邻钻场钻孔搭接距离不小于80 m。

3)在Z轴方向，初采期的瓦斯来源主要为开采层的瓦斯涌出，需专门布置一定数量的低位钻孔处理顶板垮落之前的瓦斯涌出；正常回采期的瓦斯来源增加了围岩和邻近层，因此高位钻孔需覆盖至顶板以上瓦斯富集区内，确保卸压瓦斯应抽尽抽，中位钻孔需对邻近层瓦斯进行提前拦截，还需布置一定数量低位钻孔解决割、落煤的瞬间瓦斯涌出；同时还需考虑煤层顶板岩性对于钻孔成孔的影响。综合分析可知：在工作面初次来压之前，需对切眼以里50 m左右设计低位加密钻孔；正常回采期阶段，设计走向长钻孔群在顶板以上分布范围为9～50 m。

3.2 走向长钻孔群治理瓦斯工程应用

以走向长钻孔群立体空间分布研究为基础，结合生产实际情况，在综采工作面回风巷2850 m和2450 m处布置1#钻场和2#钻场。钻场规格为4 m×6 m×3 m(长×宽×高)，迎着工作面推进方向共施工14个定向钻孔，其中，1-6钻孔由于成孔质量较差，施工深度为258 m。由于1#钻场为工作面第一组钻场，因此补充1-7和1-8两组钻孔针对性解决初次来压之前的上隅角瓦斯，施工参数见表1，钻孔布置如图3所示。

表1 1#钻场和2#钻场施工参数

图3 走向长钻孔布置

4 走向长钻孔群抽采瓦斯效果分析

4.1 钻孔抽采瓦斯量分析

1#钻场共计施工8个钻孔，从7月9日至9月30日，对各钻孔平均抽采瓦斯纯量进行跟踪统计，1-1#孔平均抽采瓦斯纯量为0.7 m3/min，1-2#孔平均抽采瓦斯纯量为0.75 m3/min，1-3#孔平均抽采瓦斯纯量为0.51 m3/min，1-4#孔平均抽采瓦斯纯量为0.37 m3/min，1-5#孔平均抽采瓦斯纯量为0.43 m3/min，1-6#孔平均抽采瓦斯纯量为0.29 m3/min，1-7#孔平均抽采瓦斯纯量为0.34 m3/min，1-8#孔平均抽采瓦斯纯量为0.43 m3/min。

2#钻场共计施工6个钻孔，从10月19日至12月31日，对各钻孔平均抽采瓦斯纯量进行跟踪统计，2-1#孔平均抽采瓦斯纯量为0.81 m3/min，2-2#孔平均抽采瓦斯纯量为1.42 m3/min，2-3#孔平均抽采瓦斯纯量为0.68 m3/min，2-4#孔平均抽采瓦斯纯量为0.38 m3/min，2-5#孔平均抽采瓦斯纯量为0.66 m3/min，2-6#孔平均抽采瓦斯纯量为0.49 m3/min。

统计数据验证了前文瓦斯分布区域的分析结果，走向长钻孔群可覆盖瓦斯富集区域，实现了卸压瓦斯应抽尽抽。走向长钻孔抽采瓦斯纯量曲线如图4所示。

图4 走向长钻孔抽采瓦斯纯量曲线

4.2 工作面瓦斯浓度分析

7月9日至12月31日，统计了回采期间上隅角和回风流瓦斯浓度数据，上隅角瓦斯浓度为0.04%～0.7%，回风流瓦斯浓度为0%～0.56%。上隅角瓦斯浓度均维持在0.8%以下，回风流瓦斯浓度均维持在0.6%以下，以走向长钻孔群治理瓦斯为主，结合上隅角埋管和风排瓦斯，基本保障了工作面初采期和正常生产期的安全生产。工作面上隅角和回风流瓦斯浓度曲线如图5所示。

图5 工作面上隅角和回风流瓦斯浓度曲线

5 结 论

1)通过数值模拟、相似模拟、理论计算和现场观测等多种手段，确定走向长钻孔群立体空间关键参数为：顶板以上9～50 m，回风巷内错10～60 m，钻场间距不大于500 m，相邻钻场钻孔搭接距离不小于80 m。

2)在走向长钻孔群立体空间分布研究的基础上，施工2组钻场14组钻孔进行工程应用，通过对钻孔抽采瓦斯纯量和工作面瓦斯浓度相关参数的持续跟踪监测，1#钻场钻孔瓦斯抽采纯量为0.29～0.75 m3/min；2#钻场钻孔瓦斯抽采纯量为0.38～1.42 m3/min；上隅角瓦斯浓度最大为0.7%，回风流瓦斯浓度最大为0.56%。研究表明，走向长钻孔群不仅可实现瓦斯应抽尽抽的要求，而且可保障工作面初采期和正常生产期的安全生产。

3)通过现场工程应用，建议在工作面初采期，在低位增加多组钻孔，针对性解决初次来压之前的上隅角瓦斯积聚问题；回风流、上隅角瓦斯浓度与日推进量呈正相关，需进一步加深研究，确保同时兼顾安全和生产。