顶板来压规律对高位钻孔瓦斯抽采浓度的影响及抽采钻孔参数优化

李晓疆，王 震，娄 芳，贾永勇

(1.新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆煤与煤层气工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830091)

综放工作面包括采煤机割煤及放煤等环节，煤炭产量高、开采强度大，易导致工作面瓦斯涌出量增加，从而引起工作面上隅角瓦斯超限。高位钻孔瓦斯抽采技术由于成本低、效果好、施工简单的特点，在许多矿区得到了良好应用[1-7]。高位钻孔抽采效果与钻场位置、钻孔层位、压茬距、钻孔孔径等参数密切相关，钻孔参数初始设计时，往往采用经验值、理论计算等手段，存在一定程度的偏差，后期根据工作面开采实际情况及钻孔瓦斯抽采浓度变化特点及时调整钻孔参数，是提高钻孔抽采效率的重要手段[3-6]。本文针对新疆某矿12B801综放工作面原始抽采钻孔设计不合理、瓦斯超限时有发生的问题，在充分掌握了12B801工作面顶板大周期、小周期来压规律的基础上，分析了其对原始高位钻孔瓦斯抽采浓度变化的影响，并基于此优化了钻孔参数，进一步降低了工作面上隅角瓦斯浓度，保障了工作面安全高效回采。

1 矿井概况

12B801综放工作面位于该矿二采区，主采B8煤层，煤层倾向在北东15～20°之间，倾角24～28°，工作面内无褶皱和断裂构造。B8煤层为一结构较简单的厚煤层，厚度在0.84～9.10 m之间，平均为5.23 m，煤层综合柱状图见图1。12B801综放工作面走向长度1 900 m，倾斜长为120 m，采放比1∶1.7。B8煤层平均瓦斯含量8.62 m3/t，工作面回采前，设计了高位抽采钻孔来解决瓦斯超限问题。

图1 煤层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam

2 高位钻孔原始设计

瓦斯抽采钻场布置在工作面回风巷实体煤一侧，沿巷帮起坡40°角掘进至直接顶岩层，钻场长3.5 m，宽3.0 m，高2.5 m，各钻场间距65 m。钻场内施工8个钻孔，分上下两排，每排4个钻孔，钻孔直径120 mm。钻孔抽采负压采用经验值20 kPa，初步设计时采用经验公式计算冒落带Hm及裂隙带HL高度，见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：M为煤层采高，5.23 m；k为垮落岩层碎胀系数，1.25；θ为煤层倾角，24°。

经计算得出冒落带最大高度24.8 m，裂隙带最大高度51.3 m。因此将上、下两排钻孔终孔层位设为距离煤层冒落带与裂隙带之间，各钻孔参数见表1。高位钻孔的抽采作用使工作面上隅角瓦斯浓度基本降到0.6%～0.8%，但工作面仍时有瓦斯超限现象，钻孔参数仍需进一步优化。

3 顶板来压规律及其对钻孔抽采浓度的影响

3.1 工作面顶板来压规律

3.1.1 顶板来压实测

工作面回采过程对液压支架工作阻力进行了实时监测，后期通过对监测数据梳理，得到顶板来压变化特点，见图2。2016年10月1日～15日，顶板共产生3次来压，来压步距分别为14.8 m、25.0 m及16.5 m；2016年10月17日工作面顶板再次来压，这次工作面支架工作阻力明显比前3次来压增加显著，10月18日夜班工作面发生压架事故。正常生产后，继续监测支架工作阻力，发现每经历3～4次顶板小周期来压(来压平均步距15.5 m)，产生一次大周期来压(来压平均步距60 m)。

3.1.2 顶板来压规律理论分析

工作面顶板周期来压是由于顶板硬岩周期性破断失稳而引起的，当覆岩中存在多层坚硬岩层时，对采场来压产生的影响可能不只是邻近煤层的第1层坚硬岩层，上覆第2层、第3层硬岩的破断也会影响采场来压，这就会导致顶板来压步距及来压强度并不是每次都相等[8-10]。由图1综合柱状图可知,距离煤层高度7 m的老顶为细砂岩与粉砂岩互层的中硬岩层，厚度14.5 m，该岩层也是亚关键层；距离煤层高度40 m有一层粗砂岩，厚度38 m，为主关键层。根据工作面来压步距计算公式[9]，可以计算主关键层、亚关键层的破断步距L，见式(3)。

(3)

式中：H为关键层的厚度；σ为关键层抗拉强度；q为单位长度关键层的载荷。

14.5 m厚的亚关键层(老顶)的抗拉强度为1.5 MPa，其单位长度载荷为0.39 MPa；38 m厚的主关键层的抗拉强度为4.9 MPa，其单位长度载荷为0.81 MPa。经计算得出老顶的破断步距为16 m，主关键层的破断步距为54 m。理论计算与现场实测大、小周期平均来压步距基本相符。

图2 工作面顶板来压实测Fig.2 Roof pressure measurement at working face

3.2 顶板来压规律对原钻孔抽采浓度的影响

结合表1原钻孔参数，对2016年10月1日至20日的大、小周期来压期间典型钻孔瓦斯抽采浓度监测数据进行了分析。图3为大、小周期来压期间下排1#孔、3#孔及上排7#孔、8#孔抽采浓度变化曲线。

表1 原高位钻孔参数Table 1 Original high drilling parameters

图3 典型钻孔抽采浓度变化Fig.3 Variation in extraction concentration oftypical boreholes

由图3可知，在顶板10月17日大周期来压前，这4个钻孔的抽采浓度均稳步上升。上排7#孔、8#孔在顶板大周期来压前瓦斯抽采浓度达到峰值，分别为51%和43%；下排孔由于层位较低抽采瓦斯含有大量空气，因此下排孔抽采浓度相对小于上排孔，下排1#孔、3#孔在顶板大周期来压前瓦斯抽采浓度峰值仅为17.5%、19%。顶板大周期来压后，上排孔瓦斯浓度迅速下降，而下排孔瓦斯浓度却不断上升，最高达到25%，甚至超过了上排孔瓦斯抽采浓度。钻孔抽采浓度呈现如此变化的原因是：①老顶的周期性垮断(小周期来压)与主关键层形成越来越大的离层空间，为瓦斯聚集提供了有利场所，所以上排钻孔抽采浓度表现迅猛增长趋势；②当关键层悬顶距离足够大时发生破断(大周期来压)，破断的关键层及其控制的上位岩层急剧下沉，下位岩层离层裂隙被压实，瓦斯向上运移聚集过程受阻，导致上排孔抽采浓度锐减，此时瓦斯在下排孔的抽采负压作用下在采空区下部聚集，下排孔抽采浓度增幅显著。大周期来压造成瓦斯在采空区下部聚集，极易引起工作面上隅角瓦斯超限。

4 钻孔参数优化分析

由于主关键层的影响，采空区顶板覆岩的离层裂隙区主要集中在老顶及主关键层之间的范围；顶板的每个大、小周期循环中，小周期来压促使主关键层与老顶之间离层裂隙发展，而大周期来压则使其闭合。因此，合理的抽采钻孔设计应保证：①钻孔的终孔层位应在主关键层之下；②钻孔沿工作面走向的有效抽采长度应覆盖大周期来压步距；③下排孔抽采层位不易过高，以便在大周期来压瓦斯上移通道被压实后，实现其对采空区下部瓦斯的有效抽采。而从表1和图4可知，原始上排孔钻孔位置均超过关键层高度，且两排孔沿工作面走向的长度未覆盖大周期来压步距，从而导致钻孔的有效抽采长度基本在36 m以下，这是影响钻孔抽采效果的主要原因。

根据以上分析，优化后的上排孔抽采上限调整为主关键层底部，下限调整为老顶顶部；下排孔层位略微降低，其抽采下限调整为直接顶顶部；两排钻孔沿工作面走向的长度完全覆盖大周期来压步距，见图4。优化后的钻孔参数见表2，从表2可看出，优化后，钻孔有效抽采长度基本达到60 m，可以大大提高瓦斯抽采效率。

图4 钻孔优化前后层位示意图Fig.4 Horizon map before and after drilling optimization

表2 优化后高位钻孔参数Table 2 Optimized drilling parameters after optimization

5 Fluent数值模拟分析

5.1 模型参数

煤层开采后覆岩垮落破断呈现圆矩梯台状，利用Fluent数值模拟软件模拟时可以将圆矩梯台简化为矩形梯台体[11]，建立工作面、采空区及高位钻孔模型，模型分为采空区多孔介质流动区域及工作面自由空间湍流部分，依据工作面实际开采参数及采动覆岩裂隙，确定模型尺寸及边界条件。工作面风量采用实际风量1 165 m3/s，抽采负压设为10 kPa、20 kPa(原设计负压)、25 kPa及30 kPa。钻孔直径120 mm，按照表2布置钻孔参数。

5.2 模拟结果分析

如图5(a)～(d)所示，在10 kPa的抽采负下，采空区中的瓦斯流场发生了显著变化，但由于负压较小，上隅角瓦斯浓度仍高达1.2%；负压20 kPa，上隅角瓦斯浓度降低到0.41%，比原抽采方案的上隅角瓦斯浓度降低了近45%，表明优化方案的合理性；负压30 kPa，上隅角瓦斯浓度进一步降低到0.33%；负压40 kPa，上隅角瓦斯浓度降低到0.27%。可见，随着负压的增加，钻孔抽采浓度越来越高，但当负压增加到一定程度，钻孔抽采浓度的变化幅度不再明显，但加大抽采负压，不仅是漏风流场向采空区深部扩散，而且加宽了回风侧自燃带范围，为防火带来压力，综合考虑，钻孔抽采负压应控制在25 kPa左右为宜。

图5 不同抽采负压下采空区瓦斯浓度Fig.5 Gas concentration in goaf under differentpumping negative pressure

6 瓦斯治理效果

高位钻孔优化前：上排5#～8#孔最大抽采浓度为57%，平均抽采浓度在22.5%～26.8%之间，瓦斯高浓度抽采段(抽采浓度大于20%)长度在14.5～18.8 m之间；下排1#～4#孔最大抽采浓度为25.5%，平均抽采浓度在10.73%～16.25%之间，瓦斯高浓度抽采段(抽采浓度大于10%)在15.0～22.2之间。钻孔优化后：上排5#～8#孔最大抽采浓度为69.5%，平均抽采浓度在38.1%～45.5%之间，瓦斯高浓度抽采段(抽采浓度大于20%)长度在30.0～41.5 m之间；下排1#～4#孔最大抽采浓度为41.25%，平均抽采浓度在18.3%～27.5%之间，瓦斯高浓度抽采段(抽采浓度大于10%)在36.6～54.0 m之间。优化后，12B801综放工作面上隅角瓦斯最大浓度降到0.24%，回风巷瓦斯最大浓度降为0.21%，比原方案降低了50%左右，见图6。

图6 上隅角及回风巷瓦斯浓度变化Fig.6 Change of gas concentration in upper cornerand return air lane

可见，优化后的钻孔抽采层位沿工作面顶板方向上基本覆盖了主要裂隙区，沿工作面走向方向基本覆盖了大周期来压步距，从而对大、小周期来压期间采空区不同层位的瓦斯实现了有效抽采，也证明利用大、小周期来压规律确定高位钻孔参数的合理性。

7 结 论

1) 通过对工作面支架工作阻力及高位钻孔瓦斯抽采浓度分析，得出顶板来压呈现大、小周期变化规律，小周期平均来压步距约15.5 m，大周期平均来压步距约60.0 m，大、小周期来压直接影响着高位钻孔瓦斯抽采浓度。

2) 利用大、小周期来压规律，对原设计抽采钻孔参数进行了优化。Fluent模拟结果表明，在原设计抽采负压20 kPa下优化后的钻孔可将工作面上隅角瓦斯浓度比原方案降低近45%，随着负压增加上隅角瓦斯不断减小，考虑到采空区漏风因素，合理负压为25 kPa左右。

3) 优化后的高位钻孔施工后，抽采效率显著提高，各钻孔瓦斯平均抽采浓度比原方案提高近1倍，上隅角、回风巷瓦斯浓度比原方案降低了50%左右，为工作面安全高效生产提供了更好的保障。