黃小波，羅德華，張 軍，張運興

(古藺縣宏達煤業(yè)有限責任公司，四川 瀘州 646000)

0 引言

突出煤層群開采過程中采煤工作面的瓦斯治理是煤礦瓦斯治理的重點與難點。目前，工作面瓦斯治理采用穿層鉆孔網(wǎng)格預(yù)抽和順層鉆孔預(yù)抽等多項措施，受煤層透氣性、瓦斯吸附常數(shù)、鉆孔施工以及抽采條件等多方面綜合因素影響，本煤層和臨近層中仍殘余大量游離和吸附瓦斯，并在回采過程中不斷涌入采煤工作面，造成瓦斯集聚、瓦斯超限甚至發(fā)生瓦斯事故，嚴重影響采煤工作面安全生產(chǎn)效率。因此，如何安全有效地治理采煤工作面瓦斯，不僅是工作面快速推進的需要，也是保證礦井安全生產(chǎn)的前提。

采煤工作面瓦斯來源于采空區(qū)、煤壁和采落煤[1-7]，且前者占據(jù)主導(dǎo)地位，尤其是在突出煤層群開采礦井中。目前治理采空區(qū)卸壓瓦斯歸納起來主要有以下幾種方式[8-12]：一是改變通風方式；二是調(diào)節(jié)風量或風壓降低工作面瓦斯?jié)舛龋蝗窃诠ぷ髅嫔嫌缃窃O(shè)置懸空密閉并埋管抽放采空區(qū)瓦斯；四是施工高位攔截預(yù)抽鉆孔，超前預(yù)抽采空區(qū)卸壓瓦斯。前3種方式都是較為被動地稀釋瓦斯或隔絕瓦斯涌入工作面，僅適用于工作面瓦斯?jié)舛容^低的環(huán)境，而且不能有效地保證工作面回采安全。第4種方式從源頭上避免了采空區(qū)瓦斯涌入工作面，能主動有效地改善工作面瓦斯情況。因此，治理工作面瓦斯，尤其是突出煤層群開采的工作面瓦斯，需進行高位攔截鉆孔超前預(yù)抽采空區(qū)瓦斯的研究。

1 高位攔截預(yù)抽機理分析

根據(jù)錢鳴高院士的“O”形圈理論[4]：煤層開采前，原始煤層、圍巖與瓦斯流體組成的系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。煤層開采后，工作面后方采空區(qū)上覆煤層以及巖層產(chǎn)生變形、下沉及斷裂等變化，形成裂隙，采空區(qū)下伏煤層也在水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，向采空區(qū)空間鼓起，在層間形成大量的裂隙，最終在工作面后方一定距離處形成“O”形圈卸壓帶。而大量瓦斯從臨近煤層及圍巖中匯聚到“O”形圈內(nèi)，并通過貫通的裂隙空間向著采空區(qū)和工作面涌出，如圖1所示。

圖1 “O”形圈示意圖

因此，高位攔截預(yù)抽成功的關(guān)鍵在于找準工作面后方的“O”形圈卸壓帶，并將鉆孔科學(xué)合理地布置在卸壓帶中進行充分攔截預(yù)抽，從源頭上減少采煤工作面瓦斯涌出量，防止回風及上隅角瓦斯超限。

2 “O”形圈范圍確定數(shù)值模擬研究

研究表明[4-6]：工作面上覆巖層裂隙分布規(guī)律為冒落帶高度0～8 m(約5倍采高)，裂隙帶的高度8～25 m(約10倍采高)；袁亮院士提出的煤與瓦斯共采理論亦表明，采煤工作面的“O”形圈卸壓帶主要分布在工作面采空區(qū)兩側(cè)(寬0～30 m，高8～15 m)的環(huán)形裂隙區(qū)內(nèi)，在裂隙區(qū)內(nèi)進行預(yù)抽，抽采率可達65%以上。為進一步確定和核實“O”形圈范圍，需要進行數(shù)值模擬分析加以確定。

2.1 數(shù)值模擬模型

數(shù)值模擬采用FLAC3D軟件，以宏達煤礦2242采煤工作面的鉆孔柱狀圖為基礎(chǔ)并結(jié)合工程實際地質(zhì)條件及回采條件建立模型，如圖2所示。

圖2 三維網(wǎng)格劃分模型圖

模型只模擬煤層附近100 m左右范圍內(nèi)的巖體，模型上部的巖體的自重，將在模型上面施加載荷模擬，同時，在不影響計算結(jié)果的前提下簡化模型工作面長度，工作面長度為100 m，整個模型的尺寸為：300 m(x)×300 m(y)×100 m(z)，計算模型共劃分有115 680個單元，125 829個節(jié)點。建立的數(shù)值模型，X軸方向為工作面方向，Y軸沿巷道方向，Z軸為重力方向。

2.2 邊界條件的確定

位移邊界條件：由于模擬的是整個煤層開挖影響區(qū)域，x=0 m、x=300 m面上X方向位移被約束，Y、Z方向自由；y=0 m、y=300 m面上Y方向位移被約束，X、Z方向自由；z=0面上Z方向位移被約束，X、Y方向自由。

應(yīng)力邊界條件：為使模擬結(jié)果更加接近實際，模型的應(yīng)力邊界條件按照實際測定結(jié)果進行設(shè)定。由于所建模型高度為100 m，模型頂部距地面平均深度230 m，以每米重量0.025 MN計算，需要在模型頂面施加上覆蓋巖層的重量約為5.75 MPa載荷。

計算中覆巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準則采用摩爾-庫侖準則。計算所涉及的巖石力學(xué)參數(shù)包括：抗拉強度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角與密度等。本次模擬采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則判斷巖體的破壞。

式中：σ1—最大主應(yīng)力；σ3—最小主應(yīng)力；C、φ—粘結(jié)力和摩擦角。當fs>0時，模擬材料將發(fā)生破壞。在通常情況下，巖體抗拉強度很低，因此可根據(jù)抗拉強度準則(σ1≥σ3)作為判斷巖體是否產(chǎn)生抗拉破壞的標準。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為煤層開采后圍巖應(yīng)力分布情況和圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。由圖看出，下層煤工作面開挖后，應(yīng)力分布和塑性區(qū)有進一步的發(fā)展，但發(fā)展幅度不大。應(yīng)力和塑性破壞區(qū)均呈現(xiàn)馬鞍形的分布形態(tài)。由于工作面錯開，錯開搭接量的煤巖體均呈現(xiàn)卸壓狀態(tài)。觀察塑性區(qū)發(fā)育情況發(fā)現(xiàn)，即便在下層煤開采后，開采邊界左側(cè)的煤體仍未完全破壞，仍存在綠色的未破壞區(qū)，而在右側(cè)的開采邊界附近的煤巖體由于受到高支承壓力的影響，煤巖體的破壞深度較大，破壞范圍較廣，可見，在卸壓區(qū)的巷道掘進對圍巖的擾動程度非常小。另外由于受開采邊界處斷裂線的剪切影響，與上層煤開采的情況類似，底板的塑性區(qū)發(fā)育的情況較深，其實這也與實際中巖層移動形成垮落角和垮落線有關(guān)，巖體剪切造成破壞向開采邊界底角深處延伸。觀察下層煤開采結(jié)束后底板應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，底板采空區(qū)應(yīng)力幾乎為零，支承壓力峰值接近20 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達到2.67，與開采上層煤的情況類似。觀察下層煤開采結(jié)束后主應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，主應(yīng)力分布情況較上層煤開采后的情況變化不大，除了右側(cè)主應(yīng)力向右側(cè)繼續(xù)拓展了一段距離，這是由于下層煤較上層煤位錯了5 m，同時這也表明近全工作面長度的開采范圍在上層煤開采的卸壓區(qū)下方，下層煤開采對應(yīng)力分布的影響幾乎可以忽略，對圍巖造成的擾動也較小。巖層下沉云圖顯示下分層開采后覆巖的移動量加大，表明下層煤開采雖然對應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)育影響不大，但對覆巖下沉有一定的影響。

a-開采后圍巖應(yīng)力分布；b-開采結(jié)束后塑性區(qū)分布圖3 煤層開采后圍巖應(yīng)力分布情況和圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，“O”形圈的范圍為：沿工作面傾斜方向分別為工作面風巷以上15 m范圍、工作面風巷以下25 m范圍，高度為8～18倍采高范圍。

3 工程實踐

3.1 選擇地點

工程實踐地點選在古藺縣宏達煤業(yè)有限責任公司宏達煤礦2242采煤工作面，煤層編號C24，屬于煤與瓦斯突出煤層。該工作面位于二采區(qū)+470～+530 m，最大埋深為452 m，最小埋深為392 m，煤層平均厚度1.4 m，北部為采區(qū)邊界，東部為井田邊界，南部和西部為未開采工作面，上覆煤層主要為C19和C13兩層煤，層間距分別為13 m和25 m。該工作面屬于被保護開采，根據(jù)相鄰采掘工作面預(yù)計，相對瓦斯涌出量為8.30 m3/t、絕對瓦斯涌出量為2.88 m3/min，實測最大殘余瓦斯含量為2.89 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.12 MPa，效檢達標，無突出危險。由于該工作面位于二采區(qū)首采區(qū)段，回風巷與上保護層工作面回風巷外錯，與沿工作面傾向方向尚余50 m屬于未保護區(qū)域。雖然在采掘作業(yè)前已嚴格執(zhí)行兩個“四位一體”防突措施，但為防止工作面回采過程上隅角及回風瓦斯超限，仍需要采取高位攔截預(yù)抽措施對卸壓瓦斯進行有效管控。

3.2 頂抽方式

高位攔截預(yù)抽方式采用在工作面回風巷低幫側(cè)間隔一定距離布置鉆場施工走向頂板長鉆孔進行瓦斯預(yù)抽。鉆場尺寸為3 m×3 m×2.5 m(長×寬×高)(視現(xiàn)場而定，主要考慮鉆機外形尺寸、煤層賦存、頂板圍巖特性等)，破煤層頂板，鉆場間距40 m(視鉆機鉆進能力而定，礦井采用1250型鉆機，實踐驗證60 m左右鉆進性能最佳)，鉆孔開孔位置布置在頂板巖層中，沿煤層走向施工至采空區(qū)后方“O”形圈卸壓帶內(nèi)。為了避免鉆孔垮塌、變形，進一步增長鉆孔有效抽采周期，在鉆孔施工完畢后，將套管下到鉆孔內(nèi)，以保護鉆孔，延長鉆孔有效抽采周期，如圖4所示。

a-平面圖；b-剖面圖圖4 高位攔截鉆孔布置示意圖

3.3 結(jié)果檢驗

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，除了在“O”形圈卸壓帶范圍內(nèi)布置鉆孔外，還在臨近區(qū)連續(xù)布置系列鉆孔進行對比分析。鉆孔終孔間距為5 m，垂直方向終孔控制范圍為10～25 m，符合數(shù)值計算的8～18倍范圍，傾向方向分別控制工作面風巷以下50 m和風巷以上20 m，超過數(shù)值計算的卸壓范圍，鉆孔終孔布置如圖5所示。圖5中虛線區(qū)域瓦斯?jié)舛壬?，為合理抽采區(qū)域。

圖5 工作面高位攔截預(yù)抽鉆孔終孔布置設(shè)計

鉆孔施工完成后，立即封孔投抽，抽采負壓保證在15～25 kPa之間，各鉆孔抽采效果見表1。

通過對表1統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論：①即使高位鉆孔終孔位置全部位于“O”形卸壓帶內(nèi)，抽采效果亦有顯著差異，具體來說，鉆孔終孔位置布置在最上層未采動煤層中時，預(yù)抽效果最佳。5#、7#、9#、11#、13#孔抽采濃度均證實了這一點，平均單孔濃度達到72%以上，15#、21#、26#孔瓦斯?jié)舛仍诓煌嚯x處也有大幅增加，其余大部分鉆孔抽采效果甚微；②傾斜方向鉆孔終孔位置布置在工作面風巷以下25 m和風巷以上15 m范圍時，抽采效果最佳，其余大部分鉆孔效果甚微，這與數(shù)值模擬的結(jié)果基本吻合。

表1 鉆孔抽采效果分析表

經(jīng)過工程實踐，宏達煤礦2242采面實施高位攔截鉆孔預(yù)抽卸壓瓦斯后，上隅角及回風瓦斯?jié)舛染?.8%以下，有效地解決了工作面回采期間的上隅角及回風瓦斯超限問題，避免了以往因瓦斯超限停采治災(zāi)等情況，大大減少了瓦斯類生產(chǎn)影響，自工作面開采以來，未發(fā)生過瓦斯超限報警事故，有效提高了工作面安全生產(chǎn)效率，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

(1)通過高位攔截預(yù)抽機理分析和數(shù)值模擬計算，確定了“O”形圈卸壓帶范圍，并經(jīng)過工程實踐進一步驗證了其準確性和可靠性，具體為：傾斜方向沿采煤工作面風巷以下25 m至風巷以上15 m共計40 m范圍，垂直方向為8～18倍采高。高位攔截預(yù)抽鉆孔布置在煤層或軟弱巖層中具有推廣意義。

(2)高位攔截預(yù)抽鉆孔長度及鉆場布置應(yīng)根據(jù)鉆機鉆進性能合理確定，以成孔率高和定向準確的最大鉆孔長度為最佳；終孔位置應(yīng)均勻布置在“O”形圈卸壓帶的傾斜方向，垂直方向布置在最上層未采動煤層，預(yù)抽效果最佳。