基于采动覆岩裂隙特征的高位钻孔优化与分析

尉 瑞，龚选平，程 成，白廷海

(1.中煤华晋集团有限公司，山西 河津 0433001；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054)

随着我国煤矿开采深度及强度的不断增加，深部开采成为煤炭资源开发常态[1]，随之而来，煤层开采时瓦斯涌出量也逐渐增加，瓦斯灾害也成为了我国煤矿安全生产主要制约因素之一[2]。高位钻孔抽采对治理高瓦斯矿井回采过程中采空区瓦斯涌出效果有着明显优势[3]，而高位钻孔位置的布置方式极大影响瓦斯抽采效率[4]。因此，研究采动覆岩裂隙带演化对瓦斯优势运移区影响规律可以为矿井瓦斯精准抽采提供理论支撑。

煤层在开采时，上覆岩层采后冒落使覆岩结构形成典型“三带”结构[5]，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，随着三带发育导致煤岩体内遍布裂隙，而裂隙是瓦斯运移及渗流的主要通道[6]，因此掌握煤层开采覆岩裂隙演化规律和准确辨识“三带”高度是优化抽采方法、确保煤层安全开采的基础，也在生产中具有非常重要的意义[7-9]。采动裂隙带演化及采空区上覆岩层中瓦斯运移规律的研究成果也很丰富。钱鸣高、许家林[10，11]提出了“关键层”理论、“O型圈”理论，并通过数学模型对上覆岩层垮落形成“O”型圈分布特征进行了描述。李树刚[12]通过研究采动裂隙发育情况，提出了采动裂隙“椭抛带”模型，并对采动影响下椭抛带的动态演化进行研究；也有很多学者在此基础上提出覆岩裂隙演化规律与瓦斯运移之间具有一定联系。Danesh NN[13]、袁亮[14，15]、程远平[16]等认为覆岩裂隙演化与瓦斯运移规律密切相关，并认为高位钻孔可以有效抽采顶板裂隙带内瓦斯富集区的高浓度瓦斯，耿铭[17]采用数值模拟和理论分析的方法对研究了地面L型钻孔抽采瓦斯富集区内瓦斯的相关规律。胡千庭[18]、谢广祥[19]等也通过物理实验及数值模拟等方法对采动影响是采空区覆岩裂隙带内瓦斯聚集的过程进行分析。

综上，目前对采动影响下覆岩裂隙演化对瓦斯运移优势区影响规律研究较少，因此为了提高瓦斯治理效果，需进一步探讨工作面回采时覆岩采动裂隙演化对瓦斯运移优势区影响规律。

为了更好的研究工作面回采时覆岩采动裂隙演化过程对瓦斯优势运移区影响规律，本文采用物理相似试验的方法对采动覆岩裂隙演化规律进行模拟研究，并通过试验结果在王家岭矿开展高位定向长钻孔瓦斯抽采现场试验，研究成果为采动覆岩裂隙扩展及瓦斯富集区辨识提供理论支持。

1 工程概况及物理模型建立

1.1 工程概况

选取山西王家岭矿12322综放工作面为试验工作面，该工作面平均厚度6.2m，煤层结构简单；倾向长度300m，煤层瓦斯含量平均在3.74m3/t。采煤方法采用长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤工艺，工作面整体瓦斯含量较低，但由于高产高效导致工作面回采过程中瓦斯涌出异常。

王家岭矿12322工作面主要采用高位定向长钻孔及采空区埋管进行瓦斯治理，但对如何确定高位钻孔最佳的布置位置来进行采空区瓦斯高效治理成为困扰煤矿安全生产的难题。

1.2 物理模型设计及方法

实验采用物理相似模拟手段，对工作面推进过程走向方向的覆岩结构和裂隙演化规律进行模拟分析。物理模拟模型参数根据工作面实际煤岩层地质条件确定。

根据王家岭矿12322工作面地质情况，见表1，建立物理相似试验模型如图1所示。

图1 工作面物理相似模型

表1 岩层分布及其物理学参数

模型设计工作面走向开采长度200m，工作面两端留设煤柱分别为10m，煤层开采高度6m，工作面推进速度6m/d。模型上方增加配重模拟未建模的上覆岩层压力，并施加均匀载荷。在距煤层每隔10m布置一条测线，从下往上分别为测线1至测线9。开挖采用从左向右开挖，并且在开挖过程中记录应力变化及各个测点的位移变化，以此分析覆岩裂隙发育情况，并对瓦斯运移优势区行定量分析。

2 物理相似模拟分析

2.1 采动影响下覆岩移动规律

当煤层开采后，在采空区上方的覆岩由弹性状态逐渐向塑性状态转变，当工作面推进到一定距离时，其上覆岩体发生移动、破断及冒落，形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，在冒落带岩层断裂成块状，因此在冒落带内的测线下沉量较大，且同一测线不同测点下沉量波动较大。而裂隙带岩层产生变形、断裂和裂隙，但连续性较好，测点下沉量随着测点位置的升高而变小，并且在裂隙带内各个测线下沉规律相似。

工作面回采130m时模型各个测点的下沉值如图2所示，冒落带垮落后碎裂岩石呈现不规则状，密实度差距较大，因而导致相同岩层下沉量差距也较大。对比分析各个测线下沉情况，可知测线1(距煤层10m)沉量为5～5.8m，位于冒落带中下部，其最大下沉值基本上是位于来压处；测线2(距煤层20m)，变形量较大，且与测线3至测线5呈现规律有所差异。而随着冒落带逐渐发育并被压实后，裂隙带的岩层连续性较强，下沉曲线较为规则，且各个测点下沉量比较同步，测线3(距煤层30m)、测线4(距煤层40m)、测线5(距煤层50m)下沉呈现规律相似，且同一测线几乎无上下波动，且最大下沉量基本上是围岩采空区的中部，测线越高其位移量越小，可以推测3测线之上为裂隙带，从而可以确定冒落带高度在距煤层底板30m以内。

图2 煤层开采后覆岩位移分布

2.2 采动影响下煤层底板应力分布规律

通过底板的应力传感器，可以对煤层正常回踩期间底板应力分布情况进行实时监测，从图3可以看出随着正常回采，上覆岩层逐步周期性垮落后，底板应力呈现周期性变化。

图3 工作面推进过程底板应力分布

工作面回采后，采空区应力明显降低，工作面前方5～15m位置处应力集中，随着开采的进行，采空区处顶板跨落，上覆岩层的应力通过采空区前后的煤体传递至底板，因此工作面前方和开切眼后方的应力值大于原岩应力，且随着回采的进行，采空区处垮落的范围越来越大，因此煤体内的应力最大值也随着增大。

2.3 采动影响下覆岩裂隙演化特征

采动过程中上覆岩层裂隙形态分布如图4所示。工作面推进过程中，随着推进距离增加，覆岩裂隙通道高度也随之增加，但增加到一定高度后，基本维持稳定。

图4 周期来压期间裂隙发育情况

2煤工作面开始回采时，直接顶随着煤层开采直接冒落，而基本顶仅出现一定弯曲下沉，继续回采后，基本顶离层间隙持续增大，当回采至55m时，基本顶断裂，在煤层底板上部20m处出现离层裂隙，且裂隙充分发育并沟通了工作面及切眼处，此时发生初次来压。工作面继续推进后，基本顶持续发生弯曲下沉，直到回采至85m时，发生断裂，并形成较大离层裂隙及破断裂隙，此时发生第一次周期来压。当工作面继续推进至110m时，为了让工作面上覆岩层裂隙进行充分发育，将模型静置一段时间，在此过程中基本顶发生断裂，并在底板正上方51m处出现较大的离层裂隙，表明发生了第二次周期来压。当回采至135m时，发生第三次周期来压，并且在此过程中，裂隙数量明显呈增加趋势，离层裂隙的长度和宽度也呈上升趋势。

当关键层垮落，裂隙高度逐渐升高，离层裂隙扩展范围也随之增加，但其发展到一定高度后不会再升高，裂隙区最大高度维持在92.3m。垮落高度至最大裂隙高度之间形成一定离层区，工作面上覆岩层断裂形成很多破断裂隙，破断裂隙联通后形成裂隙区，并且裂隙带下部形成瓦斯富集运移区如图5所示。

图5 覆岩采动区域划分

2.4 瓦斯富集运移区位置划分

煤层回采后，采空区碎石冒落，充满裂隙，且上覆岩层受采动影响且裂隙充分发育，形成一定的裂隙通道。裂隙通道受工作面通风影响后，具有一定的压力梯度，压力梯度影响，从而促进瓦斯在裂隙通道内流动，形成图3(a)—(d)中所标识的瓦斯富集运移区，随着开采活动的进行瓦斯富集运移区不断变化。

随着工作面的不断推进，测量每次来压后如图3(a)—(d)所标识出的瓦斯富集区高度，并绘制瓦斯富集运移区变化规律如图6所示。

图6 瓦斯富集运移区高度变化趋势

随着工作面不断向前推进，瓦斯富集运移区的高度也在随之增加，但增加到一定程度后，增量减小。在初次来压至第一次周期来压时，瓦斯富集运移区的高度变化幅度较大，由初次来压时优势通道高度22m在第一次周期来压后增加至40m，这是由于初次来压步距较大，应力集中，破坏力强，裂隙发育充分，并在初次来压及第一次周期来压期间应力释放。而随后的周期来压过程中，来压步距稳定，瓦斯富集区域的宽度和高度发展也比较缓慢，最终瓦斯富集区最大高度基本稳定在52m以内。

工作面持续回采，裂隙带发育稳定后，瓦斯抽采富集区偏向冒落带上部及裂隙带下部区域，如图7所示，可以看出瓦斯富集区域维持在距煤层28～52m之间，因此若要对采动覆岩裂隙带瓦斯富集区进行抽采应该布置在此范围之内。

图7 瓦斯抽采富集区域高度划分

3 工程实践

采空区覆岩裂隙带瓦斯富集区抽采过程是在富集区范围判定的基础上进行抽采方法及参数设计。而富集区的高度及宽度判定是高效抽采的关键，将定向长钻孔布置位置布置在瓦斯富集区域可有效抽采高浓度瓦斯，实现矿井安全生产。

根据前文分析，对高位定向长钻孔轨迹及终孔位置进行设计优化，并在6号钻场开始实施。

3.1 高位钻孔布置及参数设置

现场资料显示，主采工作面走向长度3307m，倾向长度304m，开采煤层厚度5.7～6.8m，高位定向长钻孔钻场布置在回风巷道的硐室内部。

钻场内设计施工4个高位定向长钻孔，单排布置，钻孔孔径133mm，钻孔长度500m，6-1至6-3钻孔高度布置在28～50m之间，钻孔距巷帮距离布置在50m以内，并设计一个不在该区域的6-4钻孔作为对比孔。并且距巷帮越远钻孔高度越高，布置参数如表2所示，高位定向长钻孔布置如图8所示。

表2 高位钻孔布置参数表

图8 6#钻场高位定向钻孔布置(m)

3.2 高位钻孔抽采效果分析

通过对高位定向长钻孔瓦斯抽采效果进行实时监测，如图9所示。从图9(a)可以看出在工作面正常回采过程中，钻场内四个高位钻孔抽采效果6-1、6-2、6-3抽采效果均较好，而6-4抽采能力一直维持在0.5m3/min以下，表明6-4钻孔布置高度偏低，而其他三个钻孔布置在瓦斯富集运移区。

从图9(b)可以看出，在抽采前期，通过周期来压，顶板裂隙逐渐发育，抽采瓦斯量在逐渐升高，当裂隙发育到一定高度后，不在继续向上发育，钻孔位于裂隙带瓦斯富集区，抽采效果持续稳定，高位定向长钻孔抽采占瓦斯涌出量60%以上，在抽采后期，由于高位定向长钻孔抽采处越接近钻场处钻孔高度及距巷帮距离越小，其抽采能力逐渐降低，从而抽采效果出现明显下降。结果较好的验证了瓦斯富集运移区范围判定的准确性。

图9 高位定向长钻孔抽采效果

4 结 论

1)物理相似模拟结果表明，12322工作面回采后，冒落带最大高度距煤层底板28m，裂隙带高度在30～92.3m之间。裂隙带瓦斯富集运移区高度随着回采变化较大，但最终趋于稳定，瓦斯富集运移区稳定在28～52m。

2)根据模拟结果进行高位定向长钻孔布置设计，设计三个钻孔位于瓦斯富集运移区内，一个钻孔在此区域外作为对比钻孔，对比抽采结果表明，抽采期内位于瓦斯富集运移区的三个钻孔抽采效果均较好，而位于富集区外的钻孔抽采效果明显低于其余三个钻孔，煤层开采后瓦斯运移富集区范围判定是合理的。

3)结合物理相似模拟结果知道现场高位定向长钻孔的布置，对现场抽采效果进行分析，得到高位定向长钻孔稳定抽采期间抽采瓦斯量占总涌出量的55%～75%，解决采空区覆岩裂隙带内瓦斯问题保证工作面安全生产。