采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

　２０２０年

２月

ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

(２):１３６－１４２.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０２０􀆰０２􀆰０１７ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０２０􀆰０２􀆰０１７

煤炭科学技术

Ｖｏｌ􀆰４８　Ｎｏ􀆰２　　Ｆｅｂ.２０２０　

程志恒ꎬ卢　云ꎬ苏士龙ꎬ等.采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８ＣＨＥＮＧＺｈｉｈｅｎｇꎬＬＵＹｕｎꎬＳＵＳｈｉｌｏｎｇꎬｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｔｕｄｙｏｎｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｈｉｇｈｌｅｖｅｌｓｔｒｉｋｅｌｏｎｇ

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ｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｇｏｂｒｏｏｆ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８(２):１３６－１４２.ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/

采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

３.华晋焦煤有限责任公司ꎬ山西吕梁　０３３０００ꎻ４.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院ꎬ北京　１０００１３)

(１.华北科技学院安全工程学院ꎬ北京　１０１６０１ꎻ２.华科中安科技(北京)有限公司ꎬ北京　１０２３００ꎻ

程志恒１ꎬ２ꎬ卢　云１ꎬ苏士龙３ꎬ刘彦青４ꎬ陈　亮４

摘　要:为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率ꎬ消除工作面上隅角瓦斯超限事故ꎬ以山西华晋吉宁煤业有限责任公司２１０２综采工作面为研究对象ꎬ采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法ꎬ利用３ＤＥＣ软件模拟计算２１０２综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程ꎬ根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围ꎬ工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区ꎬ处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域ꎬ钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率ꎬ揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制ꎻ在此基础上ꎬ在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔ꎬ进行钻孔瓦斯抽采效果考察ꎬ研究结果表明:在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下ꎬ最佳布孔层位为距煤层底板６０ｍ左右ꎬ同时在高位试验钻孔作用下ꎬ上隅角瓦斯体积分数最大值由１.１％降低至０.６％ꎬ说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围ꎬ布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度ꎮ

关键词:裂隙加强区ꎻ顶板重新压实区ꎻ高位钻孔ꎻ上隅角瓦斯浓度

中图分类号:ＴＤ７１２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０２０)０２－０１３６－０７

Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｔｕｄｙｏｎｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｈｉｇｈｌｅｖｅｌ

ｓｔｒｉｋｅｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｇｏｂｒｏｏｆ

(１􀆰ＳｃｈｏｏｌｏｆＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０１６０１ꎬＣｈｉｎａꎻ

４􀆰ＭｉｎｅＳａｆｅｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)

ＣＨＥＮＧＺｈｉｈｅｎｇ１ꎬ２ꎬＬＵＹｕｎ１ꎬＳＵＳｈｉｌｏｎｇ３ꎬＬＩＵＹａｎｑｉｎｇ４ꎬＣＨＥＮＬｉａｎｇ４

２.ＨｕａｋｅＺｈｏｎｇａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０２３００ꎬＣｈｉｎａꎻ３􀆰ＨｕａｊｉｎＣｏｋｉｎｇＣｏａｌＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＬｙｕｌｉａｎｇ　０３３０００ꎬＣｈｉｎａꎻ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｄｅｖｏｔｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒｈｉｇｈｌｅｖｅｌｓｔｒｉｋｅｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｇｏｂｒｏｏｆａｎｄｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｇａｓｅｘｃｅｅｄｉｎｇｌｉｍｉｔａｃｃｉｄｅｎｔｓｏｆｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｏｆｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.ＡｃｏｍｂｉｎｉｎｇｓｔｕｄｙｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓꎬａｎｄｆｉｅｌｄｔｅｓｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎＮｏ.２１０２ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｏｆＳｈａｎｘｉＨｕａｊｉｎＪｉｎｉｎｇＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅ３ＤＥＣｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｒａｃｋｆｉｅｌｄｉｎｇｏｂｒｏｏｆｏｆＮｏ.２１０２ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｆｉｓｓｕｒｅꎬｓｔｒｅｓｓꎬａｎｄｓｔｒａｉｎｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅｒｏｏｆｏｆｇｏｂｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｉｓｓｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｒｅａａｎｄｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｒｅａａｌｏｎｇｔｈｅｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｄｕｒｉｎｇｆａｃｅａｄｖａｎｃｅꎬｔｈｅｒｏｏｆｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｐａｓｓｅｄｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｒｅａａｎｄｔｈｅｒｅ－ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｒｅａｉｎｓｅｑｕｅｎｃｅ.Ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｒｅａｗａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｏｆｈｉｇｈｌｅｖｅｌｓｔｒｉｋｅｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｇｏｂｗａｓｔｈｅｎｒｅｖｅａｌｅｄ－ｔｈｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｃｒａｃｋｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆ

收稿日期:２０１９－０７－２１ꎻ责任编辑:王晓珍

基金项目:国家重点研发计划资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４２０６－００２)ꎻ国家自然科学基金资助项目(５１６０４１５４)ꎻ国家科技重大专项资助项目作者简介:程志恒(１９８８—)ꎬ男ꎬ河南郑州人ꎬ副研究员ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｇｚｈｉｈｅｎｇ２１＠ｖｉｐ.ｑｑ.ｃｏｍ通讯作者:刘彦青(１９８９—)男ꎬ山西忻州人ꎬ硕士ꎬ助理研究员ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｌｙｑｉｎｇ０９０６＠１６３.ｃｏｍ

(２０１６ＺＸ０５０６７－００５－００５)

ｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍꎬａｎｕｍｂｅｒｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｔｅｓｔｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗｅｒｅａｒｒａｎｇｅｄｉｎｔｈｅｒｏｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｚｏｎｅｏｆｔｈｅｇｏｂｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ

１３６

程志恒等:采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究２０２０年第２期

ｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｅｆｆｅｃｔ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗａｓａｂｏｕｔ６０ｍｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅ￣ｃｏｒｎｅｒｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ１.１％ｔｏ０.６％.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒｃｏｕｌｄｂｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｂｙｕ￣ｔｉｌｉｚｉｎｇｓｔｒｉｋｅｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈｉｎｒｏｏｆｆｉｓｓｕｒｅｚｏｎｅｉｎｉｎｎｅｒｇｏｂｏｆｒｅｔｕｒｎａｉｒｒｏａｄｗａｙｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｒａｃｋｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｒｅａꎻｒｏｏｆｒｅ－ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｒｅａꎻｈｉｇｈｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒ

ｈｏｌｅｓｉｎｔｈｅｉｎｎｅｒｒｏｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｚｏｎｅｏｆｒｅｔｕｒｎａｉｒｒｏａｄｗａｙｓ.Ｗｈｅｎａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｌｅｖｅｌｔｅｓｔｂｏｒｅｈｏｌｅｓꎬｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒ

０　引　　言

高瓦斯回采工作面上隅角和回风巷瓦斯极易超限ꎬ高瓦斯矿井开采煤层与邻近层瓦斯含量高ꎬ回采层开采条件与上覆岩层物性特征优化改进了导水裂隙带理论计算公式ꎮ朱伟等[９]采用现场实测方法对比综放开采与分层开采工艺条件下采空区顶板导水裂隙带高度ꎮ众多学者在采空区顶板裂隙演化规律工作面回采期间大量的采空区内遗煤放散瓦斯与邻近层瓦斯涌向工作面上隅角与回风巷ꎬ采空区瓦斯涌出与采空区顶板裂隙场和采空区漏风流场密切相关ꎮ目前采空区瓦斯治理措施主要包括采空区地面井、高抽巷、上隅角插埋管、采空区密闭联络巷埋管、普通高位钻孔等ꎬ不同措施均取得一定的治理效果ꎮ其中ꎬ地面井、高抽巷因投资成本和维护费用高等原因ꎬ难以大面积推广ꎬ上隅角插埋管与采空区密闭联络巷埋管措施的抽采瓦斯浓度低、效率低下ꎬ普通高位钻孔有效抽采孔段短ꎬ轨迹不可控ꎬ易形成覆盖盲区ꎮ近年来ꎬ煤矿井下定向钻进技术得到突破和改进ꎬ具有轨迹可控、施工成本低、覆盖区域广等特性ꎬ基于井下定向钻进技术的采空区顶板裂隙带高位走向长钻孔抽采瓦斯技术成为目前治理高瓦斯矿井回采工作面上隅角瓦斯超限难题的最常用措施[１－２]采空区顶板高位走向长钻孔布置于采空区顶板

ꎮ

裂隙带内ꎬ工作面回采期间采空区顶板裂隙场发育在时间与空间上具有非均匀分布特征[３]位走向长钻孔抽采效率具有明显差异性ꎬ该特征导致高ꎬ钻孔周边裂隙发育程度决定钻孔孔身稳定完整性和钻孔瓦斯渗透性ꎮ基于采空区顶板裂隙发育规律合理布置采空区瓦斯抽采钻孔能够有效提高采空区瓦斯抽采效率ꎬ实现高位走向长钻孔高效抽采不能脱离采空区顶板裂隙演化规律研究ꎮ众多学者采用数值模拟、现场实测、相似模拟、理论计算等多种方法开展采空区顶板裂隙发育规律研究ꎮ朱训国等[４]利用３ＤＥＣ离散元模拟软件对工作面回采期间采空区顶板裂隙演化过程进行分析研究ꎮ余明高等[５]利用ＦＬＡＣ有限差分模拟软件对近距离煤层群重复采动下采空区顶板裂隙演化过程进行分析研究ꎮ张军等[６]采用相似模拟试验方法研究确定了回采工作面顶板“三带”高度ꎮ吴峰峰等[７]采用理论分析、数值计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法ꎬ分析了厚及特厚煤层工作面采空区顶板垮落高度ꎮ施青龙等[８]通过综合考虑煤

研究基础上ꎬ对采空区高位走向长钻孔进行优化布置ꎮ刘桂丽等[１０]根据采空区顶板裂隙高度计算公式估算结果ꎬ优化设计了高位走向长钻孔的抽采参数ꎮ郝光生等[１１]基于采空区顶板破坏数值模拟结果提出了高位走向长钻孔差异化布孔方式并验证其有效性ꎮ刘振明等[１２]基于采空区顶板破坏数值模拟结果对倾向高位走向长钻孔布孔参数进行了优化设计ꎮ

为了进一步提高采空区顶板高位走向长钻孔抽采效率ꎬ达到降低钻孔布置数量、减少工作面瓦斯治理成本的目的ꎮ笔者在前人研究的基础上ꎬ采用数值模拟、理论分析以及现场试验相结合的研究方法ꎬ以山西华晋吉宁煤业有限责任公司２１０２综采工作面为研究对象ꎮ通过数值模拟研究采空区顶板裂隙演化规律ꎬ揭示采空区高位走向长钻孔瓦斯高效抽采机制ꎬ在此基础上布设高位走向长钻孔ꎬ通过现场试验考察了高位走向长钻孔瓦斯抽采效果ꎮ

１　回采工作面概况

山西华晋吉宁煤业有限责任公司２１０２综采工作面开采２号煤层ꎬ煤层倾角范围为１°~３°ꎬ近似为７５０水平ｍꎬ煤工作面长度为层ꎬ平均煤厚１９５６.０５ｍꎬ采用一次采全高综合ｍꎬ工作面走向长为机械化采煤方法２１０２ꎮ采用一进一回Ｕ型通风方式ꎬ

实测工作面配风量为轨道巷作为进风巷２５９０ꎬ２１０２ｍ３运输巷作为回风巷ꎬ简单ꎬ顶底板岩性多为泥岩或者粉砂岩/ｍｉｎꎮ煤层赋存结构ꎬ属全区稳定可采ｍ煤层ꎮ采煤期间绝对瓦斯涌出量为１７.３３回采前抽采达标评价瓦斯含量为/ｍｉｎꎬ工作面相对瓦斯涌出量为４.８５２.０８ｍ３ｍ３/ｔꎬ工作面吸瓦斯含量为２.１１ｍ３/ｔꎮ

/ｔꎬ最大可解２　回采期间采空区顶板裂隙演化数值模拟

２.１　采空区顶板裂隙演化数值计算模型构建

根据吉宁煤矿２１０２综采工作面顶底板煤岩层

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２０２０年第２期

煤炭科学技术

第４８卷

３ＤＥＣ软件构建工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化三维数值计算模型ꎬ计算模型长度×宽度×高度为３６０ｍ×２ｍ×１５６ｍꎬ如图１所示ꎮ在计算模型顶部边界施加等效载荷ꎬ等效载荷按式(１)计算ꎬ计算得到等效载荷为６.７５ＭＰａꎮ计算模型其余５个边界面均设置成速度为０的固定边界ꎮ在数值模拟计算过程中对采空区顶板不同高度、距煤柱不同距离位

实际分布情况ꎬ将地层简化为２３个不同岩层ꎬ采用置处位移和应力进行跟踪监测ꎬ根据顶板位移场监测数据分析确定采空区顶板裂隙发育程度ꎮ

ｑ＝

ρｉｈｉｇ∑ｉ＝１

２３

(１)

式中:ｑ为顶部边界等效载荷ꎬＰａꎻｈｉ为第ｉ层岩层厚度ꎬｍꎻρｉ为第ｉ层岩层平均密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｇ为重力加速度ꎬ取９.８ｍ/ｓ２ꎮ

２.２　工作面回采期间采空区顶板裂隙发育演化过程模拟结果分析

　　图２为２１０２工作面回采期间采空区顶板裂隙发育演化过程模拟结果ꎬ由图２可得:

１)工作面推进至３０ｍ时ꎬ直接顶达到其极限

Ｆｉｇ.１　ＧｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｒｏｏｆｓｔｒａｔａｉｎｇｏｂｏｆＮｏ.２１０２ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ

图１　２１０２综采工作面采空区顶板岩层几何模型

隙ꎬ顶板出现台阶下沉和沿煤壁切落ꎬ底板下沉量变大ꎬ发生周期来压ꎬ周期来压步距是５０ｍꎬ垮落高度达到整个直接顶厚度ꎮ

３)工作面推进至９０ｍ时ꎬ顶板裂隙向上覆岩层扩展ꎬ关键层裂隙不断发育ꎬ破断加深ꎬ下部垮落岩石逐渐被压实ꎮ

４)工作面推进至２００ｍ时ꎬ随着工作面继续推进ꎬ上覆岩层逐渐下沉ꎬ下部垮落岩层逐渐被压实ꎬ直接顶基本全部垮落ꎬ基本顶裂隙大量发育ꎬ采空区顶板裂隙“三带”形成ꎮ

２.３　工作面回采期间采空区顶板裂隙带高度及裂隙加强区分布规律分析

　　基于采空区顶板裂隙三带特征及划分原则ꎬ通过对工作面推进至２００ｍ时采空区顶板裂隙场分布模拟结果进行分析可得ꎬ采空区顶板垮落带高度为图４、图５分别为工作面回采期间采空区顶板裂隙发育完全后采空区顶板岩层位移场和顶板岩层应力场分布模拟结果ꎬ结合图３、图４、图５可得:

１)采空区顶板岩层垂直位移和垂直应力均呈现明

２)工作面推进至５０ｍ时ꎬ基本顶产生大量裂

垮落步距时开始垮落ꎬ基本顶开始裂隙发育ꎬ岩块发生回转失稳和滑落失稳ꎬ发生初次来压ꎬ初次来压步距是３０ｍꎮ

１２.１７ｍꎬ裂隙区高度为７２.６３ｍꎬ如图３所示ꎮ

图２　工作面回采期间采空区顶板裂隙演化过程模拟结果

Ｆｉｇ.２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｆｉｓｓｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ

ｒｏｏｆｉｎｇｏｂｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇ

显分区形态ꎬ沿工作面推进方向上采空区顶板区域可划分为３个部分ꎬ如图６所示ꎬ即回采工作面顶板裂隙加强区、采空区重新压实区、开切眼顶板裂隙加强区ꎮ

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程志恒等:采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究２０２０年第２期

回采工作面回采２００ｍ之前ꎬ回采工作面裂隙加强区范围在工作面推进方向上随综采工作面推进不断延伸扩张ꎬ当回采工作面回采２００ｍ之后ꎬ该区域范围不再延伸扩张ꎬ而是随工作面回采同步向前移动ꎮ

图３　工作面回采期间采空区顶板裂隙发育

完全后裂隙带与垮落带划分结果

Ｆｉｇ.３　ａｆｔｅｒｒｏｏｆＤｉｖｉｓｉｏｎｆｉｓｓｕｒｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｏｂｏｆｆｕｌｌｙｆｉｓｓｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｚｏｎｅａｎｄｄｕｒｉｎｇｃａｖｉｎｇｍｉｎｉｎｇ

ｚｏｎｅ４　工作面回采期间采空区顶板岩层应力场模拟结果

Ｆｉｇ.４　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｏｆｒｅｓｕｌｔｓｉｎｇｏｂｏｆｄｕｒｉｎｇｓｔｒｅｓｓｍｉｎｉｎｇ

ｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

５　工作面回采期间采空区顶板位移场分布模拟结果

Ｆｉｇ.５　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｏｆｒｅｓｕｌｔｓｉｎｇｏｂｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇ

ｆｉｅｌｄ图６　工作面回采期间采空区顶板裂隙

加强区与顶板压实区分布范围

Ｆｉｇ.６　２)ａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ采空区顶板裂隙加强区和压实区呈嵌套关

ｒｏｏｆｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｒａｎｇｅａｒｅａｏｆｒｏｏｆｉｎｃｒａｃｋｇｏｂｄｕｒｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｉｎｉｎｇ

ａｒｅａ

系ꎬ内侧梯形为压实区ꎬ根据模拟结果得到外侧梯形底角为６１°ꎬ内侧梯形底角为５０°ꎬ工作面底板位置内外两梯形底部之间的宽度约为８.４ｍꎬ如图６所示ꎬ根据上述几何关系建立钻孔高效抽采长度理论计算公式ꎬ见式(２)ꎮ

Ｌ式中:ＬＥ＝Ｅ为钻孔高效抽采长度ｈ(ｃｏｔ５０°－ｃｏｔ６１°)ꎬｍꎻ＋ｈ８为钻孔布置高

.４(２)

度ꎬｍꎬ取值范围为１２.１７~７２.６３ｍꎮ

３　采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采机制

采空区顶板裂隙加强区是邻近层瓦斯和垮落带回采遗煤瓦斯的主要集聚区域ꎬ具有瓦斯含量高、浓度大的特点ꎬ是采空区顶板高位走向长钻孔措施的最佳抽采区域ꎬ尤其是回采工作面裂隙加强区距离回采工作面近ꎬ该区域内瓦斯极易涌出到回采工作面内ꎬ抽采该区域内聚集瓦斯能有效消除回采工作面瓦斯超限隐

患ꎮ随着工作面推进ꎬ煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区ꎬ处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域ꎬ采空区压实区垂直位移明显大于裂隙加强区ꎬ处于压实区范围的钻孔部分的完整性无法得到保证ꎬ该区域内高位走向长钻孔段会发生坍塌失效ꎬ钻孔瓦斯抽采量主要取决于高效抽采段长度和裂隙发育程度ꎮ由回采工作面裂隙加强区区域形状(图７)可知ꎬ钻孔布置层位越高ꎬ高效抽采段越长ꎬ有利于抽采ꎬ但钻孔布置层位越高ꎬ裂隙发育程度越低ꎬ不利于抽采ꎬ二者之间为相互制约关系ꎮ

４　采空区顶板高位走向长钻孔现场试验应用

４.１　切眼２０１２试验钻孔布设位置设计

７０１ｍ综采工作面可采长度为处布置高位走向长钻孔钻场７５０ｍꎬꎬ选择在距开

高位走向长

６００钻孔一次施工到开切眼位置ｍ左右ꎬ煤层顶板以砂岩与泥岩为主ꎬ钻孔水平有效长度达到

ꎬ钻机选择采

１３９

图图２０２０年第２期

煤炭科学技术

第４８卷

用大转矩大直径定向钻机ꎬ具体选择山西太和科技有限公司生产的ＺＹＬ－１７０００Ｄ型定向钻机ꎬ钻孔开孔直径１２０ｍｍꎬ扩孔后最终成孔直径为２０３ｍｍꎮ

高效抽采ꎬ因此选择将高位钻孔布置于回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围内ꎮ为了定量分析采空区顶板裂隙带高度范围内钻孔水平位置对其瓦斯抽１５、３０、４５ｍ的位置布置高位钻孔ꎬ通过现场实测确定钻孔与回风巷的最佳水平间距ꎮ

综上所述ꎬ试验中共设计布置９个试验钻孔ꎬ图采的影响效果ꎬ分别选择距回风巷的水平间距为

图７　工作面回采期间高位走向长钻孔高效抽采作用机制

Ｆｉｇ.７　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｏｆｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇ

ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｏｆ

高位走向长钻孔布孔位置由钻孔与回风巷水平间距和钻孔层位高度确定ꎮ为提高钻孔瓦斯抽采浓度ꎬ钻孔应布置在采空区回风侧的顶板裂隙加强区范围内ꎬ同时为了保证钻孔完整性ꎬ钻孔应布置在稳定岩层内ꎬ根据２１０２综采工作面煤层顶板岩层赋存特性ꎬ钻孔选择布置在距开采煤层底板４８ｍ以上ꎬ相对稳定的泥岩层内ꎬ为了定量分析采空区顶板裂隙带高度范围内钻孔层位对瓦斯抽采的影响效果ꎬ分别选择距开采煤层底板为５０、６０、７０ｍ层位位置布置高位钻孔ꎬ通过现场实测确定最优布孔层位ꎮ

根据前人研究可知[１３－１４]面而言ꎬ工作面倾向上回风巷内侧采空区顶板裂隙ꎬ对于近水平回采工作

带高度范围内存在“环形裂隙圈”ꎬ且该区域属于瓦

斯富集区域ꎬ如图８所示[１４]ꎮ

图８　采空区顶板裂隙带内环形裂隙圈分布区域Ｆｉｇ.８　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒｏｏｆｆｉｓｓｕｒｅａｒｅａｏｆｚｏｎｅａｎｎｕｌａｒｏｆｇｏｂ

ｆｉｓｓｕｒｅｚｏｎｅｉｎ

将高位钻孔布置于该区域内能够实现钻孔瓦斯１４０

９效抽采段长度理论值为高位试验钻孔布孔位置ꎬ高位试验钻孔布孔位置参数ꎬ根据式(２)计算钻孔高见表１ꎮ

图９　采空区高位走向试验长钻孔布置

Ｆｉｇ.９　Ｌａｙｏｕｔｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｇｏｂｆｏｒｔｅｓｔ

表１　采空区高位走向试验长钻孔布置位置参数汇总Ｔａｂｌｅ１　Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｌｏｃａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌａｙｏｕｔ

ｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｇｏｂｒｏｏｆｆｏｒｔｅｓｔ

钻孔编号

层位高度/ｍ

至回风巷钻孔高效抽采段水平间距/ｍ

长度理论值/ｍ

１７０１５５５.３２７０３０５５.３３７０４５５５.３４６０１５４８.６５６０３０４８.６６６０４５４８.６７５０１５４１.９８５０３０４１.９９

５０

４５

４１.９

４.２　试验钻孔瓦斯抽采效果分析

对高位走向长钻孔投入使用后３０ｈ内ꎬ各个高位试验钻孔的抽采瓦斯浓度、瓦斯混量、瓦斯纯量数据进行整理ꎬ并计算其平均值ꎬ分别绘制了高位走向

长钻孔抽采效率随钻孔布置高度变化和钻孔水平位置变化的曲线ꎬ如图１０、图１１所示ꎮ由图１０、图１１可得ꎬ高位走向长钻孔层位越高ꎬ抽采瓦斯浓度越大ꎬ瓦斯抽采混量先增大后减小ꎬ瓦斯抽采纯量先增大后减小ꎻ高位走向长钻孔距离回风巷水平间距越

程志恒等:采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究２０２０年第２期

大ꎬ抽采瓦斯浓度缓慢减小ꎬ高层位条件下瓦斯抽采混量增大ꎬ低层位条件下瓦斯抽采混量略有减小ꎬ瓦斯抽采纯量略有增大或减小ꎬ瓦斯抽采纯量变化不明显ꎬ研究表明:钻孔距回风巷水平间距对钻孔瓦斯抽采效果的影响作用不明显ꎬ而钻孔层位对钻孔瓦斯抽采效果的影响作用较为明显ꎬ在保证高位钻孔布置于回风巷内侧采空区顶板裂隙加强区区域前提下ꎬ优选最佳层位可以大幅度提高钻孔抽采效果ꎬ且最优布孔设计层位应为６０ｍ左右ꎮ

图１０　高位走向长钻孔抽采效率随钻孔

布置高度的变化曲线

Ｆｉｇ.１０　ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌＶａｒｉａｔｉｏｎｂｏｒｅｈｏｌｅｓｃｕｒｖｅｓｗｉｔｈｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｌａｙｏｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｈｅｉｇｈｔ

ｏｆ对高位走向长钻孔投入使用之前２０ｈ至投入使用之后３０ｈ内ꎬ工作面上隅角瓦斯浓度监测数据进行收集整理ꎬ绘制了工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线(图１２)ꎬ高位走向长钻孔投入使用之前上隅角瓦斯体积分数在１％附近波动ꎬ最高超过１.１％ꎬ高位走向长钻孔投入使用之后ꎬ上隅角瓦斯浓度开始显著降低ꎬ３０ｈ之后上隅角瓦斯６％体积ꎬ研究表分数在明０.在５％回附风巷近内波侧动采ꎬ最空高区值顶不板超裂过隙加０.

强区范围内布置高位钻孔能明显降低工作面上隅角瓦斯浓度ꎮ

图１１　高位走向长钻孔抽采效率随

钻孔水平位置变化曲线

ｈｉｇｈＦｉｇ.１１　－ｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｓＶａｒｉａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｕｒｖｅｓｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｓｏｆ

图１２　高位走向长钻孔作用前后工作面

上隅角瓦斯浓度变化曲线

ｉｎＦｉｇ.１２　ｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆｍｉｎｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｆａｃｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ

ｔｈｅｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｂｏｒｅｈｏｌｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ

５　结　　论

采工作面为研究对象１)以山西华晋吉宁煤业有限责任公司ꎬ利用３ＤＥＣ软件模２１０２拟计算综

过程２１０２ꎬ综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化

工作面回采２００ｍ之后ꎬ工作面走向方向上采空区顶板裂隙带范围发育完全[１２.１７分布模拟结果ｍꎬ７２.６３ꎬ在沿工作面推进方向上定量划分了

ｍ]ꎬ根据裂隙场ꎬ裂隙带高度范围为、应力场和应变场１４１

２０２０年第２期

煤炭科学技术

第４８卷

采空区顶板裂隙加强区范围与压实区区域具体范围ꎬ并构建了２１０２综采工作面高位走向长钻孔高效抽采长度理论计算公式ꎮ

２)从时间与空间上分析工作面推进过程与钻

ＹＵＭｉｎｇｇａｏꎬＴＥＮＧＦｅｉꎬＣＨＵＴｉｎｇｘｉａｎｇ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｅ￣

ｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｔｒａｔａｆｒａｃｔｕｒｅｓａｎｄａｉｒ－ｌｅａｋｉｎｇｐａｓｓａｇｅｕｎｄｅｒＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ:ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅꎬ２０１８ꎬ３７(１):１－７.

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孔抽采过程之间的相互影响作用ꎬ随着工作面推进ꎬ煤层顶板先后经历裂隙加强区和重新压实区ꎬ处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域ꎬ钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率ꎬ揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制ꎮ

[７]　吴锋锋ꎬ杨敬轩ꎬ于　斌.厚及特厚煤层工作面顶板垮落高度

的确定[Ｊ].中国矿业大学学报ꎬ２０１４ꎬ４３(５):７６５－７７２.采现场试验效果３)对比分析了不同布设位置高位钻孔瓦斯抽

ꎬ钻孔层位对其瓦斯抽采效果的影响作用明显大于钻孔至回风巷水平间距ꎬ在保证高位钻孔布置于回风巷内侧采空区顶板裂隙加强区范

围内前提下ꎬ最佳布孔层位为６０ｍ左右ꎮ在现场试验高位钻孔作用下ꎬ工作面上隅角瓦斯体积分数波动最大值由１.１％降低至０.６％ꎬ研究表明ꎬ在回风巷内侧采空区顶板裂隙带加强区范围内布置高位走向瓦斯抽采长钻孔ꎬ能明显降低工作面上隅角瓦斯浓度ꎮ

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１４２

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ｏｆＲｏｃｋＭｅ￣