工作面初采阶段高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与实践_王向东.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0330引言工作面回采过程中，采空区常存在大量瓦斯，易造成上隅角瓦斯集聚，威胁矿井安全开采。煤层顶板随工作面的推进发生破断，覆岩裂隙成为卸压瓦斯富集区。相比高位抽采巷，高位定向长钻孔在保证安全高效治理瓦斯的同时，可以节约成本50%以上。目前针对采空区的瓦斯治理开始逐步转向高位定向长钻孔技术。沙曲1煤矿采用高位定向长钻孔治理采空区瓦斯，然而在工作面初采阶段，上隅角瓦斯超限问题仍然存在，为有效解决该问题，本文在分析沙曲1#煤矿4502工作面初采阶段覆岩垮落规律的基础上，确定初采阶段高位定向长钻孔的合理布置参数，实现高位定向长钻孔全生命周期的高效瓦斯抽采，对于相似条件的工作面瓦斯治理具有重要的推广价值。1工程概况沙曲1煤矿开采条件为近距离煤层群开采，矿井地质条件较为简单，基本为单斜构造。3+4#煤层是首采主采煤层，煤层厚度3.94.4 m，平均为4.2 m。此外，还有5#煤、8#煤和10#煤3个主采煤层，2#煤、6#煤和7#煤3个薄煤层。所有煤层均为突出煤层，原始瓦斯含量较高，如表1所示。3+4#煤层作为首采层，在开采时具有“一层开采，多层卸压”的特征，除本煤层瓦斯以外，其他煤层瓦斯沿煤岩裂隙涌入*山西省高等学校科技创新项目（2021L060）；山西省基础研究计划项目（202303021212280）工作面初采阶段高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与实践*王向东1，2，穆永亮1，刘伟伟2（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 晋中030600；2.华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁033000）摘要：为提高工作面初采阶段瓦斯抽采效果，避免上隅角瓦斯超限，以沙曲1#煤矿4502工作面为研究对象，采用数值模拟方法研究了覆岩在工作面初采阶段内的垮落特征，结合4502工作面初采阶段的瓦斯涌出量及覆岩垮落特征，沿工作面顶板设计3个高位定向长钻孔，钻孔末端由高位顶板延伸至工作面初采阶段的冒落带区域内。现场实践表明，合理设计高位定向长钻孔轨迹，有效提高了工作面初采阶段的瓦斯抽采量，避免了上隅角瓦斯超限，实现了工作面全生命周期内的持续高效瓦斯抽采。关键词：初采阶段；高位定向长钻孔；覆岩垮落特征；瓦斯超限；瓦斯抽采中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 143 04Research and Practice on Gas Extraction Technology of HighDirectional Long Drilling Holes in Working Face Initial Mining StageWANG Xiangdong1，2，MU Yongliang1，LIU Weiwei2（1.College of Safety and Emergency Management Engineering,Taiyuan University of Technology,Jinzhong 030600,China；2.Huajin Coking Coal Limited Liability Company,Lvliang 033000,China）Abstract:In order to improve the effect of gas extraction in the initial mining stage of working faceand avoid gas overrun in the upper corner,taking 4502 working face of Shaqu No.1 coal mine as theresearch object,numerical simulation method is used to study the collapsing characteristic of cover rockin the initial mining stage of working face.Combined with the gas emission amount and collapsingcharacteristic of cover rock in the initial mining stage of 4502 working face,three high directional longdrilling holes are designed along the roof of the working face,and the end of the drilling holes extendsfrom the high roof to the caving zone area of the initial mining stage of the working face.The fieldpractice shows that reasonable design the tracks of high directional long drilling can effectively improvethe amount of gas extraction in the initial mining stage of working face,avoid gas overrun in the uppercorner,and realize sustainable and efficient gas extraction in the whole life cycle of working face.Key words:initial mining stage；high directional long drilling hole；cover rock collapsing characteristic；gas overrun；gas extraction143回采工作面，导致工作面瓦斯涌出量增大，上隅角瓦斯易积聚，发生瓦斯事故的风险较高。表1主要煤层瓦斯参数表2高位定向长钻孔抽采原理及工艺随着工作面的不断推进，覆岩发生周期性破断，工作面和采空区的瓦斯逐渐充填在覆岩裂隙空间中。从水平方向上分析，采空区中部逐渐被压实，四周形成了1个动态的裂隙“O”型圈，瓦斯也主要积聚在“O”型圈内，受巷道气压的影响，回风侧裂隙圈瓦斯富集程度更高，成为采空区瓦斯抽采钻孔布置的优选位置。从竖直方向上分析，因覆岩的破坏和压实情况不同，其覆岩裂隙的连通性和覆岩的整体性不同，导致瓦斯的富集程度和可抽采程度也存在较大的差异。通常情况下，采空区瓦斯主要富集在裂隙带空间内，相比冒落带和弯曲下沉带，裂隙带内的瓦斯可持续抽采性更高，如图1所示。图1覆岩“三带”划分示意图高位定向长钻孔可利用以上规律，在回风侧的裂隙带区域内选择合适的位置布置走向钻孔，随着工作面的推进，覆岩裂隙不断发育，与高位定向长钻孔保持相互连通，如图2所示。根据工作面瓦斯涌出量来设计钻孔孔径和钻孔数量，可实现采空区瓦斯的连续抽采。（a）高位定向长钻孔平面示意图（b）高位定向长钻孔剖面示意图图2高位定向长钻孔布置示意图实践表明，在工作面初采阶段，受采动影响邻近层瓦斯涌入采场空间及采空区，由于覆岩还未形成明显的“三带”分布，高位定向长钻孔抽采效果难以满足生产需求。因此针对沙曲1#煤矿的工作面覆岩特征，本文采用数值模拟仿真及理论分析相结构的方法，研究工作面初采阶段的裂隙发育规律，进而确定高位定向长钻孔在工作面初采阶段的钻孔位置及布置方式，实现工作面初采阶段瓦斯高效抽采，保障生产安全。3工作面初采阶段覆岩垮落数值模拟为了探明沙曲1#煤矿3+4#煤层工作面初采阶段覆岩垮落特征，以4502工作面地质与开采条件为背景，建立数值模型。3.13DEC数值模型的建立沙曲1#煤矿4502综采工作面平均采深400 m，平均煤厚4.3 m；上覆岩层及底板共考虑150 m厚度，该工作面采用倾向长臂后退式采煤法，由于煤层倾角较小，计算模型简化为水平模型，形成250 m150 m的计算模型；上部边界条件为应力边界，应力10.0 MPa，左右边界为辊支承边界，下部边界为固定约束边界；围岩本构关系采用摩尔-库伦模型。3.2覆岩垮落特征4502综采工作面开挖过程的数值模拟如图3所示。煤层开采过程中，首先引起直接顶的初次垮落，初次垮落步距20 m，垮落高度达到2 m，垮落范围超过工作面长度1/2；工作面推进至30 m时，直接顶悬露面积增大，基本顶裂隙发育，随后岩块发生回转失稳和滑落失稳，此时工作面发生初次来压；工作面推进至50 m时，直接顶发生大面积垮落，垮落高度达到整个直接顶厚度，基本顶产生大量裂隙，顶板出现台阶下沉并沿煤壁切落，顶板下沉量增加；工作面推进至60 m时，基本顶发生大面积断裂，产生破断，垮落高度达到8 m；随工作面不断开挖，覆岩裂隙不断向上覆岩层扩展，上覆岩层逐渐下沉，下部垮落岩层逐渐被压实，工作面推进至80 m时关键层发生破断；工作面推进至120 m时，裂隙发育高度达到最大值，初采阶段结束。4初采阶段高位定向长钻孔参数设计根据初采期间的瓦斯涌出量计算，共设计3个高位定向长钻孔，初采阶段钻孔布置如图4所示。（1）工作面推进至10 m时，采空区顶板暂未垮落，形成了人员无法进入的巨大空间，且通风不畅，瓦斯容易积聚，此阶段布置定向长钻孔由高位顶板逐渐向开切眼延伸，实现瓦斯预抽采，如图4中1#钻孔所示。（2）工作面推进至30 m时，工作面初次来压，此时垮落高度约3 m，在垮落部分的上部已形成了部分裂隙，垮落的范围为1020 m，由高位顶板向此范围内延伸定向长钻孔，抽采覆岩裂隙空间内卸压瓦斯，如图4中2#钻孔所示。第42卷第02期工作面初采阶段高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与实践王向东，等Vol.42 No.02煤层2#3+4#5#瓦斯含量/m3t-17.9212.109.646.0514.5911.066.3615.4211.16瓦斯压力/MPa0.741.850.972.151.412.40瓦斯含量增长梯度/m3（t100 m）-12.062.022.15煤壁支持影响区离层区重新压实区冒落带裂隙带弯曲下沉带工作面裂隙带弯曲下沉带冒落带采空区144（a）开挖10 m（b）开挖20 m（初次垮落）（c）开挖30 m（初次来压)（d）开挖40 m（e）开挖50 m（周期来压）（f）开挖60 m（g）开挖70 m（h）开挖80 m（关键层破断）（i）开挖90 m（j）开挖100 m（k）开挖110 m（l）开挖120 m（逐渐压实）图3工作面初采阶段覆岩垮落特征第42卷第02期Vol.42 No.02工作面初采阶段高位定向长钻孔瓦斯抽采技术研究与实践王向东，等（a）钻孔布置平面示意图（b）钻孔布置剖面示意图图4初采段钻孔布置示意图（3）工作面推进至60 m时，覆岩垮落高度8 m，基本顶裂隙发育，此处布置定向长钻孔由高位顶板延伸至工作面上方8 m处，随工作面推进持续抽采采空区覆岩裂隙空间内的卸压瓦斯，如图4中3#钻孔所示。5初采阶段抽采效果及对比分析工作面开始回采时，因顶板未垮落，回采空间内瓦斯涌出量较小，钻孔瓦斯抽采量较少。工作面回采20 m后，1#钻孔在工作面顶板第1次垮落之后抽采量迅速上升到3 m3/min，如图5（a）所示。工作面回采30 m后，2#钻孔抽采量开始迅速上升，工作面回采40 m后，抽采纯量达到5 m3/min，如图5（b）所示。工作面回采65 m后，3#钻孔抽采量迅速上升，工作面回采70 m后，抽采纯量达到4 m3/min，如图5（c）所示。对照钻孔在工作面全生命周期内持续位于高位顶板裂隙带区域内，其在工作面初采阶段的瓦斯抽采量如图5（d）所示，对照钻孔在工作面推进至180 m之后，抽采量才迅速上升。由数据可知，在工作面初采阶段，常规的高位定向长钻孔无法有效控制采空区瓦斯