厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用_赵鹏翔.pdf

第 卷 第 期 年 月中国安全科学学报 中文引用格式：赵鹏翔，常泽晨，李树刚，等 厚煤层采空区定向钻孔分域抽采研究及应用中国安全科学学报，（）：英文引用格式：，（）：厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用赵鹏翔，教授，常泽晨，李树刚，教授，卓日升，林海飞，教授，金士魁（西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安；西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点试验室，陕西 西安；新疆煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐）中图分类号：文献标志码：.基金项目：国家自然科学基金面上项目资助（，）；国家自然科学基金重点项目资助（）；陕西省创新人才推进计划青年科技新星项目（）。文章编号：（）；收稿日期：；修稿日期：通信作者：常泽晨（），男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究方向为瓦斯防治技术。：。【摘 要】为提高厚煤层采空区定向钻孔的瓦斯抽采效率，针对山西某高瓦斯矿井采煤工作面，采用理论分析和 数值模拟相结合的方法研究采动裂隙分域演化特性，提出覆岩裂隙场分域准则，确定定向钻孔布置区域与核心抽采布置范围，并在采空区现场开展定向钻孔分域抽采瓦斯试验。结果表明：破断裂隙密集区内，岩层断裂穿层裂隙发育较明显、瓦斯聚集显著，且钻孔稳定性高，是布置定向钻孔的最佳区域；并将与回风巷中心线水平距离 ，与煤层顶板垂直距离 的区域设定为核心抽采区域。定向钻孔分域抽采试验中，单孔抽采瓦斯体积分数平均提升.，单孔瓦斯抽采纯量平均提升.，该结论验证了厚煤层采空区定向钻孔分域抽采方法的实用性与合理性。【关键词】厚煤层；采空区；定向钻孔；分域准则；瓦斯抽采；采动裂隙；数值模拟 ，（，；，；，）：，第 期赵鹏翔等：厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用 ，.，.：；引 言 近年来，我国煤炭资源开发逐渐转向地层深部，地质条件愈发复杂，矿井内瓦斯涌出强度及涌出量也显著提升。由于厚煤层采空区覆岩裂隙发育紊乱度大、瓦斯运移轨迹复杂，瓦斯抽采区域界定尚不明确，导致精准布置钻孔依旧困难，该情况已严重制约着煤矿安全高效生产。因此，提高瓦斯抽采效率的关键措施之一是在合理的区域内布置瓦斯抽采钻孔。在煤层开采阶段，受工作面采动影响，上覆岩层出现大量离层裂隙和破断裂隙，煤体本身经过扩容破坏与失稳破坏，煤体内大量瓦斯由吸附状态变为游离状态，并通过裂隙进入工作面或上覆岩层中，成为生产的不安全因素和通风负担。国内外学者、等依据覆岩破坏特征，将上覆岩层裂隙区划分为“橫三区”、“竖三带”；刘天泉、等将上覆岩层划分为垮落、岩层自由分离、顶板来压和稳定岩层 个区带。工作面经过 个周期来压后，采动裂隙中的离层裂隙和破断裂隙之间相互贯通，在整个采空区上覆岩层中，内外椭抛面之间形成了类似帽状的采动裂隙带，将其称为椭圆抛物带，而与之相邻的区域称为裂隙带，在该区域内产生瓦斯聚集效应，逐渐形成瓦斯升浮扩散区与瓦斯富集区。杨科等提出煤层开采过程中，覆岩采动裂隙演化形状类似于 形高帽状；等提出“圆角矩形梯台带”的工程简化模型。定向钻孔抽采技术已在我国多处矿区现场完成工业性试验，对解决煤矿瓦斯灾害问题起到一定作用；贾毅超等结合理论分析与数值模拟方法优化了高位钻孔布置方案；李卫龙、丁洋等依据覆岩裂隙发育形态与瓦斯运移特性进行了定向钻孔布置设计，同时利用煤层钻孔实时监控定向钻进方法改进了定向钻孔瓦斯抽采技术；张志敏、张朝举、任建平等提出了瓦斯定向抽采技术，并研究了定向钻孔成孔工艺与抽采效果；林海飞、李彦明等创新了定向钻孔代替尾巷瓦斯抽采技术，提升了工作面上隅角瓦斯治理效果。以上文献多是通过物理相似模拟和理论分析的方法来研究“三带”和定向钻孔布置位置，而合理划分覆岩裂隙发育区域，确定厚煤层采空区定向钻孔核心抽采布置范围的相关研究仍较少。鉴于此，笔者将通过理论分析和数值模拟相结合的方法，并基于山西某高瓦斯矿井采煤工作面，试验验证覆岩裂隙场分域判定准则及定向钻孔核心抽采布置范围的合理性，以期为我国厚煤层采空区定向钻孔抽采瓦斯提供参考。工作面概况及裂隙场分域判定.工作面概况及“三带”高度 山西某高瓦斯矿井主采工作面的典型厚煤层走向长度 ，倾向长度 ，平均煤厚.。借鉴以往上隅角瓦斯治理效果及经验，使用定向钻孔瓦斯抽采方法治理采空区瓦斯，工作面绝对瓦斯涌出量平均为 。采动影响下，因采空区上覆岩层裂隙发育及演化特征受多种因素影响，通过理论分析、物理模拟试验与试验工作面现场观测相结合的方式，综合分析采场覆岩垮落带高度、裂隙带高度及弯曲下沉带高度，见表。（）.（）中国安全科学学报第卷年 .（）（）式中：为垮落带高度，；为裂隙带高度，；为综合结果值，；为理论分析计算值，；为物理模拟试验值，；为现场实际观测值，；为上覆岩层碎胀系数；为煤层倾角，（）；为煤层采高，；，为常数，一般通过最小二乘法拟合确定；为替补修正数；为分析“三带”高度的方法样本数。为弯曲下沉带高度，。表 工作面“三带”高度综合结果 “”方法 理论分析.物理模拟.现场观测综合结果.试验工作面“三带”高度综合结果：.，.，.，平均来压步距.。该结果可为定向钻孔布置层位及参数和数值模拟分析提供参考。.覆岩裂隙场分域准则 厚煤层开采过程中，上覆岩层发生不同程度的形变、破裂、垮落，相较于薄煤层与中厚煤层所伴随产生的离层裂隙与破断裂隙更加复杂。通过对覆岩裂隙发育状态及裂隙内瓦斯运移难易程度的研究，构建煤层上方裂隙场分域判定准则，如图 所示。图 瓦斯抽采分域准则 厚煤层开采过程中，处于垮落带内破断裂隙与离层裂隙发育较为完善，岩层间透气性强，煤体赋存的瓦斯经历解吸、渗流、升浮等系列变化，易在该区域内形成瓦斯流动活跃区，且在气体压力作用下，瓦斯通过破断裂隙向上部运移，最终聚集于破断裂隙密集区。通过研究钻孔稳定性，得知处于厚煤层的研究背景下，不规则垮落带瓦斯流动活跃区和规则垮落带瓦斯流动活跃区内岩层垮落更加显著，裂隙发育程度愈发复杂，稳定性差，不适合钻孔布置。据上述分析，裂隙场内破断裂隙密集区钻孔稳定性强，瓦斯聚集效应显著，是布置定向钻孔的最佳位置。厚煤层走向开采下覆岩采动裂隙区域划分如图 所示。图 厚煤层走向开采下覆岩采动裂隙区域划分 定向钻孔分域抽采数值模拟研究.建立流动方程 为明确瓦斯分布与流动特征，研究定向钻孔布置的核心抽采区域，以覆岩裂隙场分域原则为划分网格理论基础，根据物质的连续性与动量守恒方程，将瓦斯流动控制方程添加至瓦斯流动模拟中，为建立数值模拟模型提供依据。控制方程如下：连续方程：（）（）动量方程：（）（）（）（）式中：为流体密度，；为时间，；为分子黏第 期赵鹏翔等：厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用性，；为常系数；为应力，；为应力张量，定义如下式：（）（）式中：为单位张量；为比例系数。通过将上述核心控制方程与（为湍动能，；为湍动能耗散，）模型相结合。该模型是建立数值模拟模型的依据。控制方程如下：（）（）（）（）（）（）式中：、为常系数；、为脉动量。依据上覆岩层移动特性与覆岩裂隙场分域准则，假使煤层上部岩层在理想情况下产生最大竖向移动，并根据“砌体梁”等理论构建覆岩裂隙场空间移动控制方程添加至数值模拟中，为建立模型提供依据。控制方程如下：（，）.（.（.）.（）.（.（）（.）.（）（）式中：为采煤工作面倾向方向距离，；为采煤工作面走向方向距离，；为采煤工作面上覆岩层方向距离。.模拟方案确定及模型建立与划分 为确定定向钻孔的核心抽采布置区域，以理论计算为基础，采用拉格朗日方法，在遵循试验工作面实际情况下采用 建模软件 建立采煤工作面、采空区模型，设置负压均 为 的高位定向钻孔于破断裂隙密集区内开展数值模拟，具体模拟方案见表。表 高位定向钻孔层位布置数值模拟方案 序号模拟条件模拟目的 型通风，风量 ，定向钻孔垂距 ，平距、，核心抽采区域位于破断裂隙密集区内确定定向钻孔合理平距 型通风，风量 ，定向钻孔平距由第一步确定，垂距、，核心抽采区域位于破断裂隙密集区内确定定向钻孔合理垂距 模型中采空区为多孔介质空间，进风巷、回风巷、工作面以及定向钻孔为流体空间。为保证数值模拟试验的精确性和计算效率，需要有效切分模型不同区域四面体网格。模型中工作面进、回风巷及抽采管路等区域需要加密四面体网格，划分方式如图 所示。图 模型建立及划分网格 为研究瓦斯流动特性，需在建立数值模拟模型时对渗透率进行设定。通过源项计算公式计算所需源项，并在数值模拟软件的源项参数设置中进行渗透率参数调定。源项计算公式如下：（）（）式中：为数值模拟运行过程中瓦斯渗透所对应的时间项；为瓦斯在裂隙场内的对流项；为瓦斯通过覆岩裂隙场离层与破断裂隙的扩散项；为数值模拟源项。.定向钻孔分域抽采层位模拟研究 通过研究煤层开采过程中上隅角瓦斯体积分数变化特性，评价不同层位定向钻孔瓦斯抽采效果，进而确定抽采钻孔最优布置参数，如图 所示。分析图 所设置的不同平距与垂距的定向钻孔抽采效果，数值模拟中钻孔抽采体积分数与纯量和上隅角瓦斯体积分数治理情况来分析最优布置层位，见表。定向钻孔距回风巷平距逐渐增加，瓦斯中国安全科学学报第卷年图 不同层位定向钻孔布置瓦斯体积分数变化 体积分数、纯量逐渐降低，通过分析不同平距下上隅角瓦斯体积分数，在与回风巷中心线水平距离为 时上隅角瓦斯体积分数超过，表明此时定向钻孔的平距应控制在 之间；同时，随定向钻孔垂距的增加，瓦斯体积分数逐渐升高，当钻孔垂距超过 时，抽采混合量与纯量逐渐降低且上隅 角瓦斯体积分数超过，表明此时定向钻孔的垂距应控制在 内。通过数值模拟结果发现，随采煤工作面不断推进，“三带”高度不断发育，平距与垂距综合分析下定向钻孔布置位置最终确定为覆岩裂隙场破断裂隙密集区，该区域是进行瓦斯有效抽采的核心区域。表 不同布置参数定向钻孔瓦斯抽采效果 钻孔参数 抽采量（）瓦斯抽采体积分数 抽采纯量（）上隅角瓦斯体积分数 与回风巷中心线水平距离.与煤层顶板垂直距离.定向钻孔瓦斯抽采布置设计.定向钻孔工作原理 定向钻进技术通常应用于煤矿瓦斯抽采以及地质勘探等方面，在钻孔作业过程中利用高压水冲击效应驱动钻孔马达从而带动钻头旋转；拐弯接头可以使钻孔的轨迹在煤层中形成空间曲线，不同规格的拐弯接头可改变施工钻孔的曲率半径。.定向钻孔及钻场设计 结合工作面实际情况及钻机施工作业特点，为第 期赵鹏翔等：厚煤层采空区定向孔分域抽采研究及应用保证采空区瓦斯充分抽采的前提下需在回风巷侧布置 个钻场，每个钻场间距 。依据覆岩裂隙场分域准则和数值模拟试验结果，初期钻孔从工作面处的钻场布置于瓦斯聚集更显著的垮落带顶部与裂隙带底部，如图 所示。中期与中后期钻孔布置于裂隙带顶部与弯曲下沉带底部的破断裂隙密集区内，平距控制为 ，垂距控制为 ，抽采钻孔直径 ，抽采管直径 ，钻孔抽采负压为.，钻场及钻孔设计参数见表。图 钻孔层位设计 表 钻场以及钻孔设计参数 钻场设计参数钻孔设计参数钻场尺寸（宽深高）钻场间距 钻孔搭接 钻孔直径 钻孔深度 钻孔高度 内错距离 距煤层上方 距回风巷 定向钻孔瓦斯分域抽采应用效果.定向钻孔分域布置 由于现场实际施工条件的复杂性，（）、号钻场的实际布孔参数未能完全达到设计要求，存在一定的平距与垂距变化区间，依据覆岩裂隙分域准则和数值模拟计算结果，在工作面上山侧施工 个定向钻孔，其中 号钻场 号钻孔和 号钻场 号钻孔分别位于破断裂隙密集区核心抽采区域外，其余钻孔位于破断裂隙密集区核心抽采区域范围内，钻孔成孔倾向剖面如图 所示，钻孔实测施工轨迹如图 所示。.定向钻孔瓦斯抽采应用效果分析 伴随工作面不断推进，持续现场监测（）、号钻场各定向钻孔抽采参数，并分析 个钻场各钻孔瓦斯抽采体积分数和瓦斯抽采纯量变化特征，如图、图 所示。随工作面累计进尺不断增大，钻孔进入破断裂隙密集区的距离逐渐增加，瓦斯抽采体积分数与纯量整体持续升高。当阶段性开采完毕，主要瓦斯抽采钻孔由 号钻场转移至 号钻场期间，瓦斯抽采效果短暂下降后恢复至正常抽采水平。钻孔平均抽采体积分数优劣排序为：号（.）（）号（.）（）号（.）（）号中国安全科学学报第卷年图 钻孔成孔倾向剖面 图 钻孔实测施工轨迹 （.）号（.）号（.）。钻孔平均抽采纯量优劣排序为：（）号（.）