底抽巷合理层位布置的数值模拟

朴承浩 李雪冰 陈善乐,3

(1.珲春矿业集团公司；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院；3.毕节学院矿业工程学院)

底抽巷合理层位布置的数值模拟

朴承浩1李雪冰2陈善乐1,3

(1.珲春矿业集团公司；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院；3.毕节学院矿业工程学院)

为确定合理的底板岩巷布置层位，结合煤层地质的实际，利用数值模拟软件对底抽巷与煤层相距20，10，5 m 3种情况下的围岩运移规律进行了模拟分析。结果表明，当底抽巷与煤层间距缩小至脱离细砂岩时，围岩出现位移偏离对称发育的现象；为保证施工安全，底抽巷顶板至少留有0.5 m厚细砂岩，保证与煤层间距大于7.7 m。同时，为了解底抽巷层位变化的影响，从钻孔施工费用、周期、单孔有效利用率、钻孔抽放浓度等方面进行了详细分析。经计算，当底抽巷与煤层间距由20 m降至8 m时，施工费用减少143万元，工期缩短209 d，单孔有效利用率增加18个百分点，经济性和实用性十分可观。

近水平单一煤层 瓦斯抽放 底抽巷 穿层钻孔 层位布置 数值模拟

矿井瓦斯灾害一直以来都是制约我国煤矿安全生产的主要灾害之一。根据多年来的实践经验和现场应用证明，对煤层瓦斯进行预抽、开采保护层等是治理矿井瓦斯灾害行之有效的技术措施，且根据矿井实际条件的不同，许多矿井的瓦斯治理由局部防治向区域防治发展，由接触式向非接触式、局部预测预报向区域性安全评价转换[1]，对单一煤层尤其如此。目前区域防突技术只有开采保护层和预抽煤层瓦斯两大类。开采保护层是最有效的防突措施，但对单一厚煤层，缺乏开采保护层的条件，所以只能预抽煤层瓦斯。底抽巷穿层钻孔条带区域预抽是通过向突出煤层巷道及其两侧一定范围内打大量的密集钻孔，使煤体区域卸压，同时抽放瓦斯，释放其潜能，然后再经过较长时间的预抽，使瓦斯压力与含量进一步降低，并由此引起煤层的收缩变形、地应力下降、透气系数增高、地应力与瓦斯压力梯度减小和煤的普氏系数增加等变化，从而消除煤巷掘进过程中突出危险[2]。

底抽巷区域防突措施与局部防突措施相比，具有更好的安全性和实用性，可以更有效地解决采取措施和掘进施工相集中的问题，有效提高煤巷掘进效率，解决工程管理及安全防护等问题[3]。底抽巷消突技术对于不具备开采解放层且具有严重煤与瓦斯突出危险的煤层有更好的适用性，对于缓解采掘接替紧张局面，改变矿井经济与安全，创建本安型高产高效矿井起到不可估量的作用。文献[4]探讨了煤层底板瓦斯抽放巷技术与钻孔水力冲孔技术联合应用，取得了良好的效果，成功降低了煤层瓦斯含量和压力，消除了煤层突出危险性。文献[5]通过对底抽巷穿层布孔、封孔、连孔工艺分析研究，提出了采用大直径钻孔、特制水泡皮-马丽散-铝塑管3组合封孔技术和集气箱设备，成功将底抽巷钻孔瓦斯浓度提高到80%以上。文献[6]利用现场试验，考察分析了底抽巷与煤巷投影位置不同距离下的巷道应力分布、变形量及瓦斯抽放效果。底抽巷与煤层的合理距离受岩层性质、底抽巷尺寸等因素的影响，本文利用FLAC3D数值计算软件，模拟分析底抽巷与煤层不同垂距下围岩的运移规律，最终确定底抽巷的合理位置。

1 工程概况

某矿井主采3#煤层，位于山西组下部，上距K8砂岩24.08～48.53 m，平均为37.39 m，下距K7砂岩0～12.8 m，平均为7.2 m，层位稳定。全区煤层为近水平煤层，厚0～6.35 m，平均为4.69 m。夹矸一般为一层，位于煤层下部，厚0.2 m左右。顶板主要是泥岩、砂质泥岩，次为粉砂岩，局部为中、细粒砂岩。底板主要是泥岩、砂质泥岩，个别为中、细粒砂岩或粉砂岩。3#煤层测试百米钻孔瓦斯流量衰减系数为0.395 4 d-1，透气性系数为0.21 m2/(MPa2·d)，属于较难抽放煤层，先前采取的顺层钻孔预抽存在衰减快、抽放量小、预抽期长以及长钻孔定位不准、分布不均匀等问题，导致抽放效果不佳，严重影响了煤巷掘进和采掘生产接替。

1307工作面布置于3#煤层中，工作面倾向长232 m，走向长2 100 m，采取两进两回的U型通风方式，见图1。其中，2条进风巷采用邻近1306工作面的两回风巷，回风巷13072、13074亟待掘进，两回风巷相距75 m。为解除13072巷、13074巷掘进过程中的瓦斯灾害问题，预在3#煤层以下施工底抽巷，其剖面示意见图2。

图1 1307工作面及底抽巷平面示意

图2 底抽巷剖面示意

在底抽巷施工上向钻孔，钻孔覆盖13072巷、13074巷左右两帮轮廓线外各20 m，终孔间排距为5 m×5 m，穿层钻孔直径为113 mm。按60 m作为一个抽采评价单元，每单元设计12组钻孔，每组钻孔左、右两帮各为2排，每排10个钻孔，每巷每单元共计120个孔。

2 底抽巷的数值建模

既能保证底抽巷在掘进过程中不发生煤层瓦斯突出，也需考虑钻孔成本。因此，本次计算模型尺寸为150 m×100 m×110 m(x×y×z)，见图3。

根据地质条件，确定模型的边界条件：模型在x=0 m、x=150 m和y=0 m、y=100 m的边界施加水平约束，即边界位移为0 m；模型底部z=0 m边界固定，即底部边界水平、垂直位移均为0 m，模型顶部z=110 m为自由边界，且施加等效载荷，即自重力。按下式得到载荷σz[7]:

σz=γH,

(1)

式中，σz为上覆地层对模型的等效载荷，MPa；γ为

图3 模型几何尺寸和网格

上覆岩层的体积力，取25 kN/m3;H为模型顶部距地表的深度，235 m。

水平方向上施加由自重应力产生的侧向应力，即

σx=σy=λσz,

(2)

式中，λ为侧压系数，取1.2。

经计算，模型上加载的垂直应力σz=5.875 MPa，水平应力σx=σy=7.05 MPa。

根据岩石力学试验结果，当载荷达到强度极限后，岩体产生破坏，在峰后塑性流动过程中，岩体残余强度随着变形发展逐步减小。因此，计算中采用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)屈服准则判断岩体的破坏形式[7-9]。岩层力学参数见表1。

表1 岩层力学参数

3 模拟结果分析

穿层钻孔预抽措施底板岩巷布置层位既要符合有关规定，还应满足施工难易程度、工程量、抽放效果以及经济性要求。根据《防治煤与瓦斯突出规定》第二十一条的相关规定，分别模拟分析底抽巷(3 m×2.8 m)距离3#煤层法距20，10和5 m时的围岩运移规律。围岩位移等值线图见图4～图6。子图(a)为y=50 m处的模型截面，子图(b)为x=75处的模型截面，分别从2个方向显示底抽巷距离煤层20，10，5 m时巷道围岩的位移值。

从图4中可以看出，当底抽巷在距离煤层20 m 的垂距进行施工后，巷道顶板下沉最大区域为x(62，88)，位移值为3～5mm，影响围岩最高达到52 m 位置，涉及部分3#煤层，但其位移量相当微小，小于1 mm；从图5中可看出，当底抽巷在距离煤层10m的垂距进行施工后，巷道顶板下沉最大区域为x(64，83)，位移值为3～6 mm，影响围岩最高达到55 m位置，完全包含3#煤层，其位移量也小于1 mm。结合矿井实际条件，图4、图5中底抽巷位于煤层底板中的细砂岩中，有研究表明，矿井深部细砂岩的强度极限为83.698 2 MPa，蠕变下限为27 MPa，细砂岩长期强度与瞬时强度之比达94.39%，其强度与时间的相关性很弱[10]。也就是说，针对该矿井实际条件，当底抽巷离3#煤层10～20 m，且位于细砂岩中，该岩层完全可作为防治瓦斯突出的重要依托岩层。

图4 距离为20 m时围岩位移等值线

图5 距离为10 m时围岩位移等值线

图6 距离为5 m时围岩位移等值线

为进行比较分析，模拟了当底抽巷距离3#煤层只有5 m的情况，即底抽巷处于细砂岩与砂质泥岩中间，其中砂质泥岩2 m，细砂岩0.8 m。从图6中可看出，底抽巷施工后，围岩总体位移出现不同于其他2种情况的顶底板位移非对称现象，且位移相对较大区域为x(68，82)，位移量为2～7 mm，该影响区域涵盖了整个3#煤层。

综上分析，该矿井3#煤层的底抽巷应布置在底板细砂岩中，且抽放巷顶板至少需留有0.5～1 m细砂岩岩层厚度，以防止巷道施工过程中发生煤层瓦斯突出事故。

4 工程验证分析

根据以往底抽巷穿层钻孔瓦斯抽放的成功经验，为保证最大施工安全系数，底抽巷应布置在距3#煤层底板20～25 m的岩层内，根据煤层实际地质条件的数值模拟结果，底抽巷顶板至少留有0.5 m细砂岩层(与煤层间距7.7 m)方可满足施工安全要求，因此确定底抽巷底板与煤层底板法距8 m处施工，保证底抽巷顶板细沙岩层厚度为0.8 m。在此，将煤孔段长度所占钻孔总长比例视为单孔有效利用率，按1307工作面煤层条带瓦斯预抽设计要求，计算当底抽巷与煤层底板法距分别为5，8，10，20 m时钻孔工程量及单孔有效利用率，见表2。

表2 钻孔工程量及有效利用率

钻孔施工、封孔要求：2台钻机同时作业，钻头型号为φ94 mm平顶烧结；采用编织袋、PE管、QN水泥等材料，聚氨酯黑、白料各5 kg，配比为1∶1；在穿层钻孔见矸段的两端使用聚氨酯封孔，中间部分进行水泥注浆，见矸段全程使用φ70 mm套管护孔；在见煤段全部使用φ70 mm花管护孔。煤、岩钻孔施工费用单价见表3。

表3 钻孔施工费用单价

考虑打钻费用和封孔费用，计算钻孔施工总费用，比较底抽巷层位变化对钻孔施工成本及施工周期的影响,见表4。1307底抽巷掘进与抽放钻孔同步施工，首单元钻孔接抽后与已完成施工的1306底抽巷7单元抽放记录进行对比,如表5所示。

由表2可知，当底抽巷与煤层底板法距逐渐减小时，钻孔工程量随之减小，而平均煤孔长度及所占比例增大；当距离由20 m降为8 m时，钻孔施工总量减少15 516 m，单孔平均孔长缩短4.97 m，煤孔段比例增加18个百分点。由表4可知，当底抽巷与煤层底板法距由20 m降至8 m时，可节省由打钻、封孔等产生的费用总计143万元，工期缩短209 d。表5所示实测数据表明，底抽巷层位提高可增加钻孔抽放浓度，这可由钻孔见煤段比例增加引起的单孔有效利用率的提高来解释；对比结果显示，煤孔段比例提高后，抽放浓度在20%以上的钻孔比例由60.3%增至79.1%，抽放效果提升显著。综上所述，在满足施工安全要求的条件下，底抽巷层位的改变在提高瓦斯抽放效果、实现抽采衔接中具有重要的现实意义，所带来的经济效益十分可观。

表4 钻孔施工费用和周期

表5 实际抽放效果对比

5 结 论

(1)煤层底板岩性是影响底抽巷层位布置的关键因素，底抽巷受硬质岩层保护可有效避免施工时发生煤与瓦斯突出事故。因此，当煤层底板近距离内存在硬质岩层时，可考虑依托该岩层提高底抽巷层位以使得瓦斯抽放设计更佳。

(2)对于近水平煤层，底抽巷层位变化对钻孔施工费用、周期、单孔有效利用率及钻孔抽放浓度影响深远，而对施工难易程度影响较小。工程分析结果表明，底抽巷与煤层间距由20 m降至8 m，可减少经济费用143万元，施工周期缩短209 d，并在一定程度上提高单孔瓦斯抽放浓度。因此，确定底板岩巷布置层位时，除借鉴实践经验外，更应结合煤层实际地质条件进行充分分析，在确保施工安全条件下，尽可能缩小底抽巷与煤层间距。

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2014-08-03)

朴承浩(1963—)，男，副总工程师，工程师，133300 吉林省珲春市。