亭南煤矿工作面定向长钻孔“区域预抽+卸压防冲”可行性分析

沈建廷，王 飞，黄 鹤

（1.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713602；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

亭南煤矿属于高瓦斯、冲击地压复合灾害矿井，工作面回采前需要施工大量的顺层瓦斯预抽钻孔。同时，回采巷道掘进必须进行钻孔卸压防冲措施，主要有迎头卸压和巷帮卸压2 种形式。瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔采用可以普通钻机施工，但普通钻机施工钻孔进行巷帮卸压防冲会对瓦斯抽采的封孔带来漏风影响，同时，掘进工作面多道工序施工之间存在相互干扰，不利于掘进和卸压工作开展，影响巷道掘进效率。近年来，定向长钻孔技术飞速发展，钻孔施工长度越来越大，钻孔轨迹定位精确度越来越高，越来越多的煤矿使用定向钻孔预抽煤层瓦斯。同时，《防治煤矿冲击地压细则》第七条明言，鼓励煤矿企业（煤矿）和科研单位开展冲击地压防治研究与科技攻关，研发、推广使用新技术、新工艺、新材料、新装备，提高冲击地压防治水平[1]。因此，亭南煤矿积极探索使用定向长钻孔防治区域预抽+卸压防冲可行性。

1 矿井概况

亭南煤矿4 煤层402 工作面是四盘区第2 个综放工作面，煤层埋深在414～773 m 之间。402 工作面运输巷与运输大巷相连，巷道总长2 448 m；回风巷与回风大巷相通，巷道总长2 500 m；切眼长度为238 m。该区域4 煤层瓦斯含量在3.68～3.98 m3/t 之间，瓦斯压力在0.18～0.29 MPa 之间，四盘区4 煤层具有强冲击倾向性，四盘区及开拓大巷冲击地压危险等级为强，且均为“可能”发生冲击地压。

2 工作面定向长钻孔“抽采+卸压”综合治理方案

根据现场工程地质条件及402 工作面抽采、卸压需求，亭南煤矿设计了402 工作面定向长钻孔抽采、卸压综合治理钻孔布置方案，采用φ120 mm 的定向长钻孔抽采工作面回采区域内瓦斯，采用φ150 mm 的定向长钻孔对工作面回采巷道迎头和巷帮进行大直径钻孔卸压，利用巷帮卸压钻孔抽采巷帮卸压带瓦斯。

2.1 定向长钻孔抽采工作面回采区域瓦斯

利用千米钻机施工本煤层定向长钻孔治理402工作面回采区域瓦斯，施工高位定向长钻孔抽采顶板断裂带和采空区瓦斯[2]。在进风大巷运料道生产煤壁侧距进风大巷二段76、9 m 处施工1#、2#千米钻机钻场；在进风大巷二段北侧距离402 运输巷104、32 m 处分别施工3#、4#千米钻机钻场，在402工作面清淤巷西侧煤壁自1#排水通道南侧煤壁起施工5#钻场，在3#排水通道北侧煤壁和清淤巷相交处施工6#钻场。

千米钻机在亭南煤矿施工定向长钻孔最长记录为1 500 m，但是定向钻孔过长后，钻机施工效率会有所下降。根据千米钻机的施工效率，结合402 工作面长度约为2 400 m，将整个工作面走向分2 段进行钻进施工。本煤层定向长钻孔布置平面示意图如图1。

2.2 定向长钻孔抽采卸压带瓦斯设计

工作面两巷道生产帮以里5～20 m 范围施工长距离帮部卸压钻孔，孔间距2 m，即分别距离生产帮5、7、9、11、13、15、17、19 m 施工定向长钻孔。钻孔孔径为φ150 mm，钻孔方位角为0°，钻孔深度初步设计为500 m，实际长度根据现场实际钻孔施工长度结合实践反馈的卸压效果确定。开孔位置底板以上1.5 m。定向钻孔长度不能覆盖整个工作面走向长度，采用定向钻孔循环接替的方法接续[3]。在掘进迎头距离卸压钻孔孔底位置一段安全距离（20～30 m）时，停止掘进，再次使用千米钻机施工帮部卸压钻孔，直至掘进完毕。抽采巷帮瓦斯定向长钻孔布置平面示意图如图2。

图2 抽采巷帮瓦斯定向长钻孔布置平面示意图Fig.2 Schematic diagram of gas directional long borehole layout on drainage side

3 定向长钻孔预抽煤层瓦斯可行性分析

煤体施工钻孔后，钻孔周围的煤体向钻孔方向移动，致使处于应力平衡状态的煤体发生变形和流变，应力平衡被打破，直到形成新的应力平衡。在煤体内由钻孔中心向煤体深部方向依次形成了破碎区、塑性区、弹性区和原始应力区，钻孔影响区域分布如图3。

图3 钻孔影响区域分布Fig.3 Affect area distribution of borehole

一般情况下，破碎区和塑性区合在一起被称为卸压区，卸压区煤体经过集中应力的作用后，大量煤体被破坏，其内部形成了许多新的裂隙，这些新形成的裂隙与煤体内部原有的裂隙、孔隙系统交汇贯通，从而形成了更顺畅的瓦斯流通通路，使得煤体透气性得到很大的提高[4-7]。

采用定向钻孔抽采工作面区域瓦斯时，钻孔水平间距d1=5.5 m，钻孔垂直间距d2=4 m。d1<2R，d2<2R（R 为抽采半径）。因此，采用定向钻孔抽采工作面区域瓦斯的钻孔水平间距和垂直间距满足抽采半径的要求，抽采时间也满足抽采半径的要求。

采用定向钻孔抽采巷帮卸压带瓦斯时，钻孔水平间距d1=2 m，d1<2R，采用定向钻孔抽采工作面区域瓦斯的钻孔水平间距满足抽采半径的要求，垂直间距不满足抽采半径的要求，抽采时间满足抽采半径的要求[8]。

4 定向长钻孔卸压防冲的可行性分析

4.1 钻孔卸压数值计算模型

针对亭南煤矿研究区域内掘进迎头与工作面帮部钻孔卸压方案，建立了6 组三维数值模型，按区域需要考虑的轻重来调整单元的疏密，在钻孔卸压区域网格单元划分密集，其他区域网格单元划分较疏。网格单元为六面体单元，所建的6 种数值模型中最多的单元数量为3 000 000。选取的具有代表性的三维数值模型如图4。参照402 工作面钻孔柱状图，模型中构建了煤层、直接顶泥岩、基本顶砂岩、上覆岩层泥岩、直接底砂质泥岩与基本底铝质泥岩，依据四邻开采环境，构建了巷道、煤柱与采空区垮落带。

图4 三维数值模型Fig.4 3D numerical model

4.2 掘进迎头钻孔卸压数值模拟

超前30 m 施工卸压孔后的煤体应力分布规律如图5。由图5 可知：距离迎头（掘进工作面）1.6 m范围内呈现明显的应力降低区；在孔深1.4～4.6 m范围内，其两侧出现了高度应力集中，应力峰值位于迎头超前2 m 左右，应力集中系数最大为1.82 左右。

图5 迎头超前30 m 卸压范围垂直应力分布平面图Fig.5 Vertical stress distribution plan in 30 m pressure relief range ahead of head face

沿着孔深方向，横向剖切卸压孔，得到的孔深5、15、25 m 的垂直应力剖面云图如图6。由图6 可知：在卸压孔周边出现了应力降低区，两侧应力降低范围较小，与孔壁边缘平均距离约0.015 m 左右，顶、底两端应力降低范围较大，距孔壁边缘平均距离约为0.11 m；与此同时，在距钻孔两侧约0.04～0.09 m 范围内会产生高度的应力集中现象，且应力集中程度随孔深不断增加而降低[9]。

图6 迎头超前30 m 卸压范围垂直应力分布剖面图Fig.6 Section of vertical stress distribution in 30 m pressure relief range ahead of head face

超前30 m 施工卸压孔后的煤体塑性区分布规律如图7。由图7 可知：塑性单元主要分布在距离迎头（掘进工作面）2 m 以内；孔深超过2 m 后，塑性单元数量急剧减少，仅卸压孔周边存在少量的塑性单元；随着孔深的增加，塑性单元数量与分布范围基本保持不变[10]。

图7 迎头超前30 m 卸压范围塑性区分布平面图Fig.7 Distribution plan of plastic zone in pressure relief range 30 m ahead of the head

不同孔深的塑性区分布剖面图如图8。由图8可知：迎头超前2 m 范围内受超前支承压力与采动影响显著，该处的塑性区较为发育，大量弹性应变能得到释放；随着迎头超前距离的增加，受超前支承压力与采动影响随之降低，迎头超前5 m 处的塑性单元分布范围与数量急剧减小；超前15、25 m 时，卸压孔周边塑性区分布范围基本保持不变，塑性单元分布范围平均为距孔壁0.06 m 内；塑性区与煤层厚度相比很小，说明针对厚煤层而言，迎头超前30 m 的卸压孔对周围煤体的变形破坏影响效果有限。

图8 迎头超前30 m 卸压范围塑性区分布平面图Fig.8 Distribution plan of plastic zone within pressure relief range 30 m ahead of the head

4.3 掘进工作面定向长钻孔卸压分析

超前500 m 施工卸压孔后的煤体应力分布规律如图9。由图9 可知：距离迎头1.6 m 范围内呈现明显的应力降低；在孔深1.3～4.7 m 范围内，卸压孔两侧高度应力集中，应力峰值位于迎头超前2.1 m 左右，应力集中系数最大为1.83。

图9 迎头超前500 m 卸压范围垂直应力分布平面图Fig.9 Vertical stress distribution plan in pressure relief area 500 m ahead of the head

分别在孔深2、100、400 m 处横向剖切卸压孔，得到的迎头超前500 m 卸压范围垂直应力分布剖面图如图10。

图10 迎头超前500 m 卸压范围垂直应力分布剖面图Fig.10 Section of vertical stress distribution within pressure relief range 500 m ahead of the head

由图10 可知：在卸压孔周边出现明显的应力降低区，卸压孔两侧应力降低范围较小，距孔壁边缘平均距离约0.013 m 左右，顶、底两端应力降低范围较大，距孔壁边缘平均距离约为0.12 m 左右；与此同时，在距钻孔两侧约0.04～0.09 m，会产生较高的应力集中，并随着孔深不断增加，应力集中程度逐渐降低。

超前500 m 施工卸压孔后的塑性区分布规律如图11。由图11 可知：距巷道帮部2 m 范围以内受超前支承压力与采动扰动作用显著，基本为塑性单元，塑性区发育，大量弹性应变能得到释放；孔深超过2 m 后，塑性单元数量与分布范围迅速减少，仅在卸压孔周边存在少量的塑性单元；随着孔深的增加，塑性单元数量与分布范围基本保持不变。

图11 迎头超前500 m 卸压范围塑性区分布平面图Fig.11 Distribution plan of plastic zone within pressure relief range 500 m ahead of the head

迎头超前500 m 卸压范围塑性区分布剖面图如图12。由图12 可知：迎头超前2 m 范围内处于塑性发育区，大量弹性应变能得到释放；迎头超前100、400 m 时，塑性区分布范围基本保持不变，分布的平均范围为距孔壁0.06 m 左右，迎头超前500 m 卸压孔对周围煤体的变形破坏影响较小，耗散煤体弹性应变能较小；钻孔周围的塑性区范围与超前30 m卸压孔相近。

图12 迎头超前500 m 卸压范围塑性区分布剖面图Fig.12 Profile of plastic zone distribution within pressure relief range 500 m ahead of the head

4.4 巷帮定向长钻孔与普通钻孔卸压对比分析

巷帮定向长钻孔卸压效果表见表1。采用数值模拟的方法，对比分析可知：

表1 巷帮定向长钻孔卸压效果表Table 1 Pressure relief effect of directional long borehole on roadway side

1）定向长钻孔卸压实施后，巷帮高应力集中区范围最大，卸压范围最小；应力峰值距巷帮较远，且巷帮塑性区分布范围较大[11-15]；综合对比强冲击危险区原钻孔卸压方案来说，钻孔施工后应力平衡条件下的卸压效果相近。

2）应力峰值基本分布于距巷帮2.5 m 左右，且高应力集中区主要分布在距巷帮2～5 m 范围，在此范围内补打定向长钻孔卸压后，应力峰值向煤体深部转移，应力集中范围减小，卸压范围增大，说明加密定向长钻孔会得到更好的卸压效果。

3）回采巷道掘进过程中，应加强冲击危险性指标监测，根据监测数据反馈，及时调整、优化定向钻孔布置方案。

5 结 语

1）采用定向钻孔抽采巷帮卸压带瓦斯时，钻孔水平间距满足抽采半径的要求，单排钻孔垂直间距不满足抽采半径的要求；402 工作面回采巷道150～300 d 的巷道预排瓦斯带计算宽度为12.7～18.6 m，应在巷道预排瓦斯带外的垂直方向上补打1～2 个分支钻孔，钻孔孔径为φ150 mm，垂直间距为4 m，使钻孔抽采和巷道预排范围覆盖整个巷帮卸压区。

2）采用数值模拟的方法，对比分析了定向长钻孔超前迎头500 m 与卸压孔超前迎头30 m 施工后，超前迎头应力峰值位置、应力集中区分布范围、应力降低区分布范围、塑性区分布范围等的分布特征，表明实施定向长钻孔卸压后，随着工作面掘进会引起迎头前方超前应力的动态变化及地应力的重新分布，考虑钻孔卸压的时间效应，可能出现钻孔破坏后重新被压实的情况导致应力回升。

3）对比分析了巷道掘进过程中定向长钻孔巷帮卸压方案与普通钻孔卸压方案。结果表明：定向长钻孔卸压实施后，巷帮高应力集中区范围最大，卸压范围最小；应力峰值距巷帮较远，且巷帮塑性区分布范围较大，耗散弹性应变能较多；定向长钻孔卸压后的应力峰值基本分布于距巷帮2.5 m 左右，且高应力集中区主要分布在距巷帮2～5 m 范围，在此范围内补打定向长钻孔卸压后，应力峰值向煤体深部转移，应力集中范围减小，卸压范围增大，具有更好的卸压效果。