覆巖裂隙帶長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

張 波

（山西晉煤集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048205）

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)（簡稱“永安宏泰煤業(yè)”）二采區(qū)28#煤層地質(zhì)構(gòu)造簡單，厚度為1.7~5 m，平均厚度3.3 m，隨著開采深度的增加，礦井最大相對瓦斯涌出量達(dá)15 m3/t，已達(dá)到高瓦斯礦井標(biāo)準(zhǔn)。礦井現(xiàn)開采28#煤層3101 工作面，走向長1 148 m，斜長100 m，基本頂為中砂巖與粉砂巖，平均厚度14.38 m，直接頂為粉砂巖，平均厚度3.5 m，直接底為石灰?guī)r，平均厚度6 m，根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)測定，工作面瓦斯含量為14.5 m3/t，初始瓦斯壓力為0.21 MPa?，F(xiàn)以3101 工作面為研究對象，探究覆巖裂隙鉆孔瓦斯的抽采技術(shù)。

2 覆巖裂隙鉆孔抽采理論分析

2.1 覆巖裂隙鉆孔抽采原理

覆巖裂隙鉆孔抽采是治理煤礦瓦斯事故的重要技術(shù)之一[1-2]。工作面上方形成的采動(dòng)應(yīng)力場會(huì)影響上覆巖層的裂隙發(fā)育特性，在垂直方向上形成垮落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶即“三帶”。在水平方向上形成煤壁支撐區(qū)，離層區(qū)與重新壓實(shí)區(qū)[3-4]。在采場煤層回采過程中，工作面上方頂板因失去下方煤層支撐力，外加采動(dòng)應(yīng)力影響將會(huì)產(chǎn)生采動(dòng)裂隙帶。因瓦斯的體積分?jǐn)?shù)相對于礦井空氣的體積分?jǐn)?shù)更輕，采動(dòng)后的瓦斯向上流動(dòng)，利用采動(dòng)裂隙帶作為瓦斯的抽采通道，見圖1。

圖1 工作面覆巖結(jié)構(gòu)圖

一般情況下，煤層的上覆巖層發(fā)生變形一般在采煤工作面的超前30~40 m 位置，此變形的水平移動(dòng)劇烈程度要明顯大于垂直方向的移動(dòng)程度，由于缺少下方煤體的支撐，垂直方向的位移會(huì)迅速增加，上覆巖層作為組合巖體，不同層位之間的頂板巖層會(huì)發(fā)生不同程度的離層現(xiàn)象，使原始裂隙張開，并且在豎直方向上產(chǎn)生新裂隙，離層區(qū)間的巖層與水平方向的巖層在頂板運(yùn)移的作用下也會(huì)發(fā)生相互的擠壓，裂隙的張開度較大，其中冒落帶與裂隙帶是瓦斯的主要流動(dòng)通道[5]。

2.2 覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律

采用UDEC 軟件對永安宏泰煤業(yè)二采區(qū)28#煤層開采狀態(tài)下的頂板裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立長度為160 m、寬度為100 m 的數(shù)值模型，固定左右邊界與下部邊界，在上部邊界施加8.75 MPa 的垂直應(yīng)力，數(shù)值模型如圖2 所示，選用的數(shù)值模擬參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)表

圖2 數(shù)值模型圖

圖3 為工作面推進(jìn)過程中覆巖裂隙發(fā)育圖，根據(jù)圖3 所示頂板裂隙隨工作面推進(jìn)過程中的發(fā)育狀態(tài)，當(dāng)28#煤層工作面推進(jìn)30 m 時(shí)，老頂發(fā)生第一次斷裂，上方的27#煤層以及上覆頂板發(fā)生冒落，冒落帶高度約為8 m，老頂2 發(fā)生彎曲下沉且產(chǎn)生明顯的離層特征。工作面推進(jìn)60 m時(shí)，老頂2下沉接觸到采空區(qū)矸石堆?！癡”形穿層裂隙在中部形成，此時(shí)老頂3仍保持穩(wěn)定狀態(tài)。工作面推進(jìn)80 m 時(shí)，老頂3 下沉接觸到采空區(qū)矸石堆，此時(shí)工作面中部穿層裂隙迅速擴(kuò)展，兩端同時(shí)產(chǎn)生“V”形穿層裂隙，同時(shí)上部亞關(guān)鍵層1形成非貫通裂隙，裂隙帶發(fā)育高度約為30 m。工作面推進(jìn) 100 m時(shí)，亞關(guān)鍵層1下沉接觸到采空區(qū)矸石堆，與上方亞關(guān)鍵層2 出現(xiàn)明顯順層裂隙，并且壓實(shí)下部采空區(qū)裂隙帶，裂隙帶發(fā)育高度約為60 m。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，覆巖裂隙帶發(fā)育高度約為30~60 m。

圖3 工作面推進(jìn)過程中覆巖裂隙發(fā)育圖

3 瓦斯抽采方案與預(yù)抽工程

3.1 瓦斯抽采方案

基于以上覆巖裂隙帶瓦斯抽采原理[6-7]，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定覆巖裂隙鉆孔施工范圍為30~60 m。為增加覆巖裂隙鉆孔的實(shí)際工程抽采使用效率，需要增加鉆孔的孔徑尺寸，采用133 mm 的大直徑鉆孔，PVC抽采管為110 mm，根據(jù)工作面頂板采空區(qū)裂隙發(fā)育高度范圍，確定覆巖裂隙的鉆孔實(shí)際參數(shù)。鉆孔的起鉆位置位于沿空巷道的擋板，以3 個(gè)鉆孔作為同一組鉆孔，共計(jì)施工5 組鉆孔，每組鉆孔的鉆孔間距為30 m，組與組間的鉆孔壓茬為30 m，用水泥注漿方法進(jìn)行封孔，并且需保證封孔深度為15 m，工作面累計(jì)的覆巖裂隙鉆孔數(shù)量為15 個(gè)。鉆孔布置如圖4 所示，鉆孔布置參數(shù)如表2所示。

表2 瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)

圖4 覆巖裂隙鉆場布置圖

3.2 瓦斯預(yù)抽工程

覆巖裂隙鉆孔的抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高，鉆孔的工程使用周期較長，為檢驗(yàn)永安宏泰煤業(yè)3101工作面的瓦斯抽采效果，進(jìn)行覆巖裂隙鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，最終得到覆巖鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)與上隅角瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 覆巖鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)演化趨勢圖

圖6 上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)演化趨勢圖

圖5 中，共選取3 個(gè)覆巖裂隙鉆孔，分別為10-1、10-2、10-3 號鉆孔，鉆孔的演化趨勢曲線近似相等，其中10-1號鉆孔的初始瓦斯抽采流量較低，但隨著抽采時(shí)間的增加，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)由20%上升至60%，此演化過程代表頂板裂隙在觀測期間逐漸發(fā)育，在觀測的第8天以后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)發(fā)生下降，代表此區(qū)域內(nèi)瓦斯已被大量抽采，10-2號鉆孔與10-3號鉆孔的瓦斯抽采趨勢相同，初始瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)均為60%，在第6~8天瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)93%，在抽采的第8天以后，瓦斯體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯下降，此趨勢表明此處鉆孔的頂板覆巖裂隙是在進(jìn)行瓦斯監(jiān)測前就已經(jīng)產(chǎn)生的，也是在抽采過程中瓦斯流動(dòng)的主要通道，整體演化過程表現(xiàn)倒“V”形特征。

為檢驗(yàn)覆巖裂隙瓦斯抽采技術(shù)對工作面的瓦斯治理效果，對上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了長時(shí)間的觀測，如圖6 所示，在觀測的前45 天，瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)輕微的上升趨勢，瓦斯體積分?jǐn)?shù)從0.55%上升至0.67%，但在45天以后，上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)迅速下降，最終瓦斯體積分?jǐn)?shù)維持在0.3%~0.4%之間。

4 結(jié)語

1）煤層隨工作面回采，在工作面周圍將形成一個(gè)采動(dòng)壓力場，離層區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的層間離層是瓦斯流入覆巖鉆孔的通道，為覆巖裂隙帶抽采瓦斯提供了條件。

2）通過UDEC 軟件，分析覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律，制定了覆巖裂隙瓦斯鉆孔抽采方案，并進(jìn)行工程實(shí)踐。

3）3 個(gè)覆巖裂隙鉆孔的瓦斯體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)倒“V”形演化趨勢，表明鉆孔組交替壓茬布置是科學(xué)合理的。