亭南煤礦工作面定向長鉆孔“區(qū)域預(yù)抽+卸壓防沖”可行性分析

沈建廷，王 飛，黃 鶴

（1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

亭南煤礦屬于高瓦斯、沖擊地壓復(fù)合災(zāi)害礦井，工作面回采前需要施工大量的順層瓦斯預(yù)抽鉆孔。同時，回采巷道掘進(jìn)必須進(jìn)行鉆孔卸壓防沖措施，主要有迎頭卸壓和巷幫卸壓2 種形式。瓦斯預(yù)抽鉆孔和防沖卸壓鉆孔采用可以普通鉆機施工，但普通鉆機施工鉆孔進(jìn)行巷幫卸壓防沖會對瓦斯抽采的封孔帶來漏風(fēng)影響，同時，掘進(jìn)工作面多道工序施工之間存在相互干擾，不利于掘進(jìn)和卸壓工作開展，影響巷道掘進(jìn)效率。近年來，定向長鉆孔技術(shù)飛速發(fā)展，鉆孔施工長度越來越大，鉆孔軌跡定位精確度越來越高，越來越多的煤礦使用定向鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。同時，《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第七條明言，鼓勵煤礦企業(yè)（煤礦）和科研單位開展沖擊地壓防治研究與科技攻關(guān)，研發(fā)、推廣使用新技術(shù)、新工藝、新材料、新裝備，提高沖擊地壓防治水平[1]。因此，亭南煤礦積極探索使用定向長鉆孔防治區(qū)域預(yù)抽+卸壓防沖可行性。

1 礦井概況

亭南煤礦4 煤層402 工作面是四盤區(qū)第2 個綜放工作面，煤層埋深在414～773 m 之間。402 工作面運輸巷與運輸大巷相連，巷道總長2 448 m；回風(fēng)巷與回風(fēng)大巷相通，巷道總長2 500 m；切眼長度為238 m。該區(qū)域4 煤層瓦斯含量在3.68～3.98 m3/t 之間，瓦斯壓力在0.18～0.29 MPa 之間，四盤區(qū)4 煤層具有強沖擊傾向性，四盤區(qū)及開拓大巷沖擊地壓危險等級為強，且均為“可能”發(fā)生沖擊地壓。

2 工作面定向長鉆孔“抽采+卸壓”綜合治理方案

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及402 工作面抽采、卸壓需求，亭南煤礦設(shè)計了402 工作面定向長鉆孔抽采、卸壓綜合治理鉆孔布置方案，采用φ120 mm 的定向長鉆孔抽采工作面回采區(qū)域內(nèi)瓦斯，采用φ150 mm 的定向長鉆孔對工作面回采巷道迎頭和巷幫進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓，利用巷幫卸壓鉆孔抽采巷幫卸壓帶瓦斯。

2.1 定向長鉆孔抽采工作面回采區(qū)域瓦斯

利用千米鉆機施工本煤層定向長鉆孔治理402工作面回采區(qū)域瓦斯，施工高位定向長鉆孔抽采頂板斷裂帶和采空區(qū)瓦斯[2]。在進(jìn)風(fēng)大巷運料道生產(chǎn)煤壁側(cè)距進(jìn)風(fēng)大巷二段76、9 m 處施工1#、2#千米鉆機鉆場；在進(jìn)風(fēng)大巷二段北側(cè)距離402 運輸巷104、32 m 處分別施工3#、4#千米鉆機鉆場，在402工作面清淤巷西側(cè)煤壁自1#排水通道南側(cè)煤壁起施工5#鉆場，在3#排水通道北側(cè)煤壁和清淤巷相交處施工6#鉆場。

千米鉆機在亭南煤礦施工定向長鉆孔最長記錄為1 500 m，但是定向鉆孔過長后，鉆機施工效率會有所下降。根據(jù)千米鉆機的施工效率，結(jié)合402 工作面長度約為2 400 m，將整個工作面走向分2 段進(jìn)行鉆進(jìn)施工。本煤層定向長鉆孔布置平面示意圖如圖1。

2.2 定向長鉆孔抽采卸壓帶瓦斯設(shè)計

工作面兩巷道生產(chǎn)幫以里5～20 m 范圍施工長距離幫部卸壓鉆孔，孔間距2 m，即分別距離生產(chǎn)幫5、7、9、11、13、15、17、19 m 施工定向長鉆孔。鉆孔孔徑為φ150 mm，鉆孔方位角為0°，鉆孔深度初步設(shè)計為500 m，實際長度根據(jù)現(xiàn)場實際鉆孔施工長度結(jié)合實踐反饋的卸壓效果確定。開孔位置底板以上1.5 m。定向鉆孔長度不能覆蓋整個工作面走向長度，采用定向鉆孔循環(huán)接替的方法接續(xù)[3]。在掘進(jìn)迎頭距離卸壓鉆孔孔底位置一段安全距離（20～30 m）時，停止掘進(jìn)，再次使用千米鉆機施工幫部卸壓鉆孔，直至掘進(jìn)完畢。抽采巷幫瓦斯定向長鉆孔布置平面示意圖如圖2。

圖2 抽采巷幫瓦斯定向長鉆孔布置平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of gas directional long borehole layout on drainage side

3 定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯可行性分析

煤體施工鉆孔后，鉆孔周圍的煤體向鉆孔方向移動，致使處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的煤體發(fā)生變形和流變，應(yīng)力平衡被打破，直到形成新的應(yīng)力平衡。在煤體內(nèi)由鉆孔中心向煤體深部方向依次形成了破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)，鉆孔影響區(qū)域分布如圖3。

圖3 鉆孔影響區(qū)域分布Fig.3 Affect area distribution of borehole

一般情況下，破碎區(qū)和塑性區(qū)合在一起被稱為卸壓區(qū)，卸壓區(qū)煤體經(jīng)過集中應(yīng)力的作用后，大量煤體被破壞，其內(nèi)部形成了許多新的裂隙，這些新形成的裂隙與煤體內(nèi)部原有的裂隙、孔隙系統(tǒng)交匯貫通，從而形成了更順暢的瓦斯流通通路，使得煤體透氣性得到很大的提高[4-7]。

采用定向鉆孔抽采工作面區(qū)域瓦斯時，鉆孔水平間距d1=5.5 m，鉆孔垂直間距d2=4 m。d1<2R，d2<2R（R 為抽采半徑）。因此，采用定向鉆孔抽采工作面區(qū)域瓦斯的鉆孔水平間距和垂直間距滿足抽采半徑的要求，抽采時間也滿足抽采半徑的要求。

采用定向鉆孔抽采巷幫卸壓帶瓦斯時，鉆孔水平間距d1=2 m，d1<2R，采用定向鉆孔抽采工作面區(qū)域瓦斯的鉆孔水平間距滿足抽采半徑的要求，垂直間距不滿足抽采半徑的要求，抽采時間滿足抽采半徑的要求[8]。

4 定向長鉆孔卸壓防沖的可行性分析

4.1 鉆孔卸壓數(shù)值計算模型

針對亭南煤礦研究區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)迎頭與工作面幫部鉆孔卸壓方案，建立了6 組三維數(shù)值模型，按區(qū)域需要考慮的輕重來調(diào)整單元的疏密，在鉆孔卸壓區(qū)域網(wǎng)格單元劃分密集，其他區(qū)域網(wǎng)格單元劃分較疏。網(wǎng)格單元為六面體單元，所建的6 種數(shù)值模型中最多的單元數(shù)量為3 000 000。選取的具有代表性的三維數(shù)值模型如圖4。參照402 工作面鉆孔柱狀圖，模型中構(gòu)建了煤層、直接頂泥巖、基本頂砂巖、上覆巖層泥巖、直接底砂質(zhì)泥巖與基本底鋁質(zhì)泥巖，依據(jù)四鄰開采環(huán)境，構(gòu)建了巷道、煤柱與采空區(qū)垮落帶。

圖4 三維數(shù)值模型Fig.4 3D numerical model

4.2 掘進(jìn)迎頭鉆孔卸壓數(shù)值模擬

超前30 m 施工卸壓孔后的煤體應(yīng)力分布規(guī)律如圖5。由圖5 可知：距離迎頭（掘進(jìn)工作面）1.6 m范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)；在孔深1.4～4.6 m范圍內(nèi)，其兩側(cè)出現(xiàn)了高度應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值位于迎頭超前2 m 左右，應(yīng)力集中系數(shù)最大為1.82 左右。

圖5 迎頭超前30 m 卸壓范圍垂直應(yīng)力分布平面圖Fig.5 Vertical stress distribution plan in 30 m pressure relief range ahead of head face

沿著孔深方向，橫向剖切卸壓孔，得到的孔深5、15、25 m 的垂直應(yīng)力剖面云圖如圖6。由圖6 可知：在卸壓孔周邊出現(xiàn)了應(yīng)力降低區(qū)，兩側(cè)應(yīng)力降低范圍較小，與孔壁邊緣平均距離約0.015 m 左右，頂、底兩端應(yīng)力降低范圍較大，距孔壁邊緣平均距離約為0.11 m；與此同時，在距鉆孔兩側(cè)約0.04～0.09 m 范圍內(nèi)會產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中程度隨孔深不斷增加而降低[9]。

圖6 迎頭超前30 m 卸壓范圍垂直應(yīng)力分布剖面圖Fig.6 Section of vertical stress distribution in 30 m pressure relief range ahead of head face

超前30 m 施工卸壓孔后的煤體塑性區(qū)分布規(guī)律如圖7。由圖7 可知：塑性單元主要分布在距離迎頭（掘進(jìn)工作面）2 m 以內(nèi)；孔深超過2 m 后，塑性單元數(shù)量急劇減少，僅卸壓孔周邊存在少量的塑性單元；隨著孔深的增加，塑性單元數(shù)量與分布范圍基本保持不變[10]。

圖7 迎頭超前30 m 卸壓范圍塑性區(qū)分布平面圖Fig.7 Distribution plan of plastic zone in pressure relief range 30 m ahead of the head

不同孔深的塑性區(qū)分布剖面圖如圖8。由圖8可知：迎頭超前2 m 范圍內(nèi)受超前支承壓力與采動影響顯著，該處的塑性區(qū)較為發(fā)育，大量彈性應(yīng)變能得到釋放；隨著迎頭超前距離的增加，受超前支承壓力與采動影響隨之降低，迎頭超前5 m 處的塑性單元分布范圍與數(shù)量急劇減小；超前15、25 m 時，卸壓孔周邊塑性區(qū)分布范圍基本保持不變，塑性單元分布范圍平均為距孔壁0.06 m 內(nèi)；塑性區(qū)與煤層厚度相比很小，說明針對厚煤層而言，迎頭超前30 m 的卸壓孔對周圍煤體的變形破壞影響效果有限。

圖8 迎頭超前30 m 卸壓范圍塑性區(qū)分布平面圖Fig.8 Distribution plan of plastic zone within pressure relief range 30 m ahead of the head

4.3 掘進(jìn)工作面定向長鉆孔卸壓分析

超前500 m 施工卸壓孔后的煤體應(yīng)力分布規(guī)律如圖9。由圖9 可知：距離迎頭1.6 m 范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低；在孔深1.3～4.7 m 范圍內(nèi)，卸壓孔兩側(cè)高度應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值位于迎頭超前2.1 m 左右，應(yīng)力集中系數(shù)最大為1.83。

圖9 迎頭超前500 m 卸壓范圍垂直應(yīng)力分布平面圖Fig.9 Vertical stress distribution plan in pressure relief area 500 m ahead of the head

分別在孔深2、100、400 m 處橫向剖切卸壓孔，得到的迎頭超前500 m 卸壓范圍垂直應(yīng)力分布剖面圖如圖10。

圖10 迎頭超前500 m 卸壓范圍垂直應(yīng)力分布剖面圖Fig.10 Section of vertical stress distribution within pressure relief range 500 m ahead of the head

由圖10 可知：在卸壓孔周邊出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)，卸壓孔兩側(cè)應(yīng)力降低范圍較小，距孔壁邊緣平均距離約0.013 m 左右，頂、底兩端應(yīng)力降低范圍較大，距孔壁邊緣平均距離約為0.12 m 左右；與此同時，在距鉆孔兩側(cè)約0.04～0.09 m，會產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，并隨著孔深不斷增加，應(yīng)力集中程度逐漸降低。

超前500 m 施工卸壓孔后的塑性區(qū)分布規(guī)律如圖11。由圖11 可知：距巷道幫部2 m 范圍以內(nèi)受超前支承壓力與采動擾動作用顯著，基本為塑性單元，塑性區(qū)發(fā)育，大量彈性應(yīng)變能得到釋放；孔深超過2 m 后，塑性單元數(shù)量與分布范圍迅速減少，僅在卸壓孔周邊存在少量的塑性單元；隨著孔深的增加，塑性單元數(shù)量與分布范圍基本保持不變。

圖11 迎頭超前500 m 卸壓范圍塑性區(qū)分布平面圖Fig.11 Distribution plan of plastic zone within pressure relief range 500 m ahead of the head

迎頭超前500 m 卸壓范圍塑性區(qū)分布剖面圖如圖12。由圖12 可知：迎頭超前2 m 范圍內(nèi)處于塑性發(fā)育區(qū)，大量彈性應(yīng)變能得到釋放；迎頭超前100、400 m 時，塑性區(qū)分布范圍基本保持不變，分布的平均范圍為距孔壁0.06 m 左右，迎頭超前500 m 卸壓孔對周圍煤體的變形破壞影響較小，耗散煤體彈性應(yīng)變能較??；鉆孔周圍的塑性區(qū)范圍與超前30 m卸壓孔相近。

圖12 迎頭超前500 m 卸壓范圍塑性區(qū)分布剖面圖Fig.12 Profile of plastic zone distribution within pressure relief range 500 m ahead of the head

4.4 巷幫定向長鉆孔與普通鉆孔卸壓對比分析

巷幫定向長鉆孔卸壓效果表見表1。采用數(shù)值模擬的方法，對比分析可知：

表1 巷幫定向長鉆孔卸壓效果表Table 1 Pressure relief effect of directional long borehole on roadway side

1）定向長鉆孔卸壓實施后，巷幫高應(yīng)力集中區(qū)范圍最大，卸壓范圍最??；應(yīng)力峰值距巷幫較遠(yuǎn)，且巷幫塑性區(qū)分布范圍較大[11-15]；綜合對比強沖擊危險區(qū)原鉆孔卸壓方案來說，鉆孔施工后應(yīng)力平衡條件下的卸壓效果相近。

2）應(yīng)力峰值基本分布于距巷幫2.5 m 左右，且高應(yīng)力集中區(qū)主要分布在距巷幫2～5 m 范圍，在此范圍內(nèi)補打定向長鉆孔卸壓后，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中范圍減小，卸壓范圍增大，說明加密定向長鉆孔會得到更好的卸壓效果。

3）回采巷道掘進(jìn)過程中，應(yīng)加強沖擊危險性指標(biāo)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，及時調(diào)整、優(yōu)化定向鉆孔布置方案。

5 結(jié) 語

1）采用定向鉆孔抽采巷幫卸壓帶瓦斯時，鉆孔水平間距滿足抽采半徑的要求，單排鉆孔垂直間距不滿足抽采半徑的要求；402 工作面回采巷道150～300 d 的巷道預(yù)排瓦斯帶計算寬度為12.7～18.6 m，應(yīng)在巷道預(yù)排瓦斯帶外的垂直方向上補打1～2 個分支鉆孔，鉆孔孔徑為φ150 mm，垂直間距為4 m，使鉆孔抽采和巷道預(yù)排范圍覆蓋整個巷幫卸壓區(qū)。

2）采用數(shù)值模擬的方法，對比分析了定向長鉆孔超前迎頭500 m 與卸壓孔超前迎頭30 m 施工后，超前迎頭應(yīng)力峰值位置、應(yīng)力集中區(qū)分布范圍、應(yīng)力降低區(qū)分布范圍、塑性區(qū)分布范圍等的分布特征，表明實施定向長鉆孔卸壓后，隨著工作面掘進(jìn)會引起迎頭前方超前應(yīng)力的動態(tài)變化及地應(yīng)力的重新分布，考慮鉆孔卸壓的時間效應(yīng)，可能出現(xiàn)鉆孔破壞后重新被壓實的情況導(dǎo)致應(yīng)力回升。

3）對比分析了巷道掘進(jìn)過程中定向長鉆孔巷幫卸壓方案與普通鉆孔卸壓方案。結(jié)果表明：定向長鉆孔卸壓實施后，巷幫高應(yīng)力集中區(qū)范圍最大，卸壓范圍最??；應(yīng)力峰值距巷幫較遠(yuǎn)，且巷幫塑性區(qū)分布范圍較大，耗散彈性應(yīng)變能較多；定向長鉆孔卸壓后的應(yīng)力峰值基本分布于距巷幫2.5 m 左右，且高應(yīng)力集中區(qū)主要分布在距巷幫2～5 m 范圍，在此范圍內(nèi)補打定向長鉆孔卸壓后，應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中范圍減小，卸壓范圍增大，具有更好的卸壓效果。