張九零，侯金鑫，張玉軍

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063009;2.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧阜新123000; 3.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013)

研究工作面礦山壓力變化規(guī)律表明，工作面回采時，在工作面所在煤層及其上下鄰近層將形成一個動態(tài)壓力場，在該場作用下，巖層發(fā)生移動，穩(wěn)定后將在豎直方向形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶［1］。高位鉆孔是向煤層頂板方向開鑿，使鉆孔到達裂縫帶，從而將游離于裂縫帶的瓦斯抽放出來，所以又可稱為頂板裂縫帶鉆孔抽放。本文以呂家坨礦6373工作面為研究對象，根據(jù)鄰近巖層的基本性質(zhì)，選用適當?shù)慕?jīng)驗公式計算，應用軟件UDEC對上覆巖層垮落情況進行數(shù)值模擬，優(yōu)化高位鉆孔的關鍵參數(shù)，進行工業(yè)試驗檢驗參數(shù)優(yōu)化后的抽放效果，達到防治瓦斯災害的目的。

1 工作面概況

6373回采工作面開采呂家坨礦－950m水平7－2煤層，煤層傾角平均15°。上與7－1煤層平均間距為7.07m;下與8煤層間距在2.42～6.78m之間，平均為4.6m。偽頂厚約0.2m，巖石為黑褐色泥巖，極易冒落。直接頂厚約3.23m，巖石為淺灰－灰黑色粉砂巖，水平層理，細膩均勻，局部為細砂巖或泥巖，其中含植物根化石?；卷攧t為深灰－灰黑色中細砂巖，緩水平層理，質(zhì)地細密，或夾少量粉砂巖薄層。直接底上部含植物根化石，中下部夾少量細砂巖薄層，底部巖為泥巖，厚約1.14m。其煤塵具有爆炸危險性，屬II類自燃煤層。選擇支架支護頂板，采煤法選用走向長壁后退式，應用全部垮落法對采空區(qū)進行處理。瓦斯主要來自采空區(qū)，落煤亦有部分瓦斯釋放，其中采空區(qū)瓦斯量約占總量的60%～70%。

2 高位鉆孔關鍵參數(shù)及計算方法

在頂板裂縫帶中，頂板巖性、采高、工作面的活動范圍、工作面布置情況、鄰近層與開采層的間距、煤層開采特性、采用的通風方式等因素都會對瓦斯運移情況造成影響。隨著工作面向前推進，巖石應力不斷發(fā)生變化，采空區(qū)上覆巖層自然垮落，穩(wěn)定后，在豎直方向形成特征不同的“豎三帶”。瓦斯從煤層中釋放出來，并在巖石垮落的縫隙中積聚。因此若要取得良好的抽放效果須合理布置高位鉆孔的位置，關鍵就在于鉆孔是否處于瓦斯流動的通道 (裂縫帶)中［2］，所以應對裂縫帶的高度進行論證。

根據(jù)工作面頂板巖性、采高等多種因素，采取以下2個經(jīng)驗公式［3］進行計算 (該礦采用傾斜分層開采，式中M為累計采厚)。

垮落帶最大高度H1:

裂縫帶最大高度H2:

6373工作面累計采厚為4.2m，代入上述公式計算得該工作面垮落帶高度為 (10.8±2.2)m，裂縫帶高度為 (40.7±5.6)m。

3 關鍵參數(shù)的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型和參數(shù)的選取

根據(jù)6373工作面開采的實際情況，采用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC建立開采數(shù)值計算模型，研究該工作面開采后圍巖的受力和變形規(guī)律，并據(jù)此確定開采后覆巖的“豎三帶”分布情況。

依據(jù)6373工作面的具體條件，沿工作面主傾向剖面為原型建立了一傾向斷面二維離散元計算模型。同時，為直觀、系統(tǒng)地反映工作面開采后圍巖受力與變形情況，數(shù)值模型對工作面的地質(zhì)采礦條件進行了適當簡化，簡化后的模型如圖1所示。通過對6373工作面開采后圍巖受力、變形、移動情況的研究，確定6373工作面開采后垮落帶、裂縫帶的高度。

圖1 數(shù)值計算模型

力學參數(shù)的選取是在綜合多方面因素的基礎上確定的，主要是根據(jù)室內(nèi)外巖石力學試驗、實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和相關文獻提供的巖體力學計算取值的基礎上確定的。本次模擬計算的力學參數(shù)參照了呂家坨礦2008年進行的巖石物理力學試驗報告。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2為6373工作面煤層開采后上覆巖層的垮落情況。判斷巖層是垮落帶還是裂縫帶的依據(jù)是巖層斷裂后是否完全脫離巖層母體，獨立存在。若獨立存在則為垮落帶，反之，則為裂縫帶。

圖2 6373工作面開采后覆巖垮落情況

由模擬結(jié)果可知，6373工作面開采后，煤層頂板向上9.2m高，已發(fā)展為垮落帶，在6煤層底部，即頂板上方約30.8m處，已發(fā)展為裂縫帶。彎曲下沉帶即為地表至裂縫帶頂部［5］。比較軟件模擬結(jié)果與利用經(jīng)驗公式計算得到的結(jié)果，不難看出垮落帶高度模擬結(jié)果介于經(jīng)驗公式的計算范圍內(nèi)，這說明經(jīng)驗公式在某種程度上可作為參考。

3.3 優(yōu)化設計

利用模擬結(jié)果指導設計6373工作面高位鉆孔相關參數(shù)，如圖3。

圖3 高位鉆孔示意

根據(jù)模擬結(jié)果，設計可抽采高度，即距煤層頂板法距為14～31m，有效抽放段為鉆孔位于此區(qū)間內(nèi)的孔段。鉆孔的回風巷水平投影長為110m，1號鉆孔終孔點距回風巷水平距離為15m，2號鉆孔終孔點距回風巷水平距離為25m。在超前回采工作面110m處施工第1個高位鉆場，此后每間隔60m施工1個。為保持平穩(wěn)抽放量，抽放孔需接替良好。綜合考慮后確定，鉆孔投影長度為111.64m，鉆孔直徑為75mm，每個鉆場施工2個高位鉆孔，1號孔與巷道下偏7°，仰角15°，長度120m;2號孔與巷道下偏12°，仰角15°，長度119m。兩孔口間距不小于0.4m，以保證管路正常安裝。

4 優(yōu)化效果分析

優(yōu)化高位鉆孔參數(shù)后，利用束管收集了2012年3月2日至3月16日采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，并利用鉆孔瓦斯監(jiān)測儀測定了高位鉆孔瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)，進行對比分析。圖4、圖5為優(yōu)化前后鉆孔瓦斯?jié)舛葘Ρ葓D。從圖中可看出參數(shù)優(yōu)化后高位鉆孔抽放瓦斯?jié)舛日w提高，最高濃度達24%，而未優(yōu)化的鉆孔瓦斯?jié)舛茸罡邽?1%，平均提高了2.3倍。

圖4 鉆孔瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

圖5 采空區(qū)瓦斯?jié)舛葘Ρ?/p>

觀察優(yōu)化前后采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，可明顯看出采取高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化后，采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊陀趦?yōu)化前。優(yōu)化前采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸畹蜑?.7%，優(yōu)化后瓦斯?jié)舛茸畹蜑?.3%，大大降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，減少了生產(chǎn)過程中上隅角瓦斯超限的可能性。

通過數(shù)據(jù)對比可以得出，6373工作面高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)優(yōu)化科學有效，能較好地提高鉆孔瓦斯?jié)舛龋档筒煽諈^(qū)瓦斯?jié)舛?。目前呂家坨礦設計高位鉆孔一般采用終孔高度按5～12倍采高計算，即21～50m，這樣設計的鉆孔隨著開采的進行，部分孔在合理范圍內(nèi)，這也解釋了實際應用過程中鉆孔抽放效果時好時壞的狀況。

5 結(jié)論

通過經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，綜合工作面具體情況，優(yōu)化工作面開采后的“豎三帶”高度，并進行抽放效果檢驗，結(jié)果表明:呂家坨礦6373回采工作面經(jīng)開采、頂板自然垮落，穩(wěn)定后，垮落帶高度約為9.2m，裂縫帶高度約為30.8m;抽采效果平均提高了2.3倍。高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)優(yōu)化準確可靠，能有效提高鉆孔瓦斯?jié)舛?，減少了采空區(qū)瓦斯?jié)舛取?/p>

［1］李海濤.高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯在長平煤礦的應用研究［J］.煤炭安全，2010，36(1):101－103.

［2］趙耀江，郭海東，袁勝軍.綜采面頂板走向大直徑長鉆孔瓦斯抽采技術參數(shù)的研究 ［J］.太原理工大學學報，2009 (1):74－75.

［3］沈光寒，李白英，吳 戈.礦井特殊開采的理論與實踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

［4］王福厚.高位鉆孔抽放瓦斯冒落帶及裂隙帶高度確定方法［J］.煤炭技術，2008，27(8):75－76.

［5］魯海峰，姚多喜，許明能.祁東煤礦3224工作面開采兩帶高度發(fā)育特征的數(shù)值模擬［J］.煤礦安全，2007，38(8).