2019年第9期（总第168期）2019年9月
实践运用
垮落带和裂隙带高度预测及高位钻孔瓦斯抽采技术应用韩彪（山西潞安集团漳村煤矿，山西长治046032）
摘要：针对中国煤矿生产中面临的瓦斯事故频发的现状，结合工程背景，从经验公式和数值模拟两方面得出采场上
覆岩层垮落带和裂隙带高度。在此基础上，设计并施工了高位钻孔，以抽采裂隙带瓦斯。结果表明，抽采效果稳定，解决了邻近层瓦斯涌出量大的问题。
关键词：垮落带；裂隙带；高位钻孔；瓦斯抽采中图分类号：TD712+.6文献标识码：A文章编号：2095-0802-(2019)09-0163-02
PredictionofHeightofCavingZoneandFissureZoneandApplicationofHigh-levelBoreholeGasExtractionTechnology(ZhangcunCoalMine,ShanxiLu'anGroup,Changzhi046032,Shanxi,China)
Abstract:InviewofthefrequentoccurrenceofgasaccidentsincoalmineproductioninChina,combinedwiththeengineeringbackground,thispaperobtainedtheheightofcavingzoneandfissurezoneofoverlyingstratainstopefromempiricalformulaandnumericalsimulation.Onthisbasis,high-levelboreholesweredesignedandconstructedtoextractgasfromfracturezone.Theresultsshowedthattheextractioneffectwasstableandtheproblemoflargegasemissionfromadjacentstratawassolved.Keywords:cavingzone;fissurezone;high-levelborehole;gasextraction
HANBiao
0引言
表1采空区内垮落带及裂隙带预测公式
覆岩岩性、单轴抗压强度及对应岩层坚硬，40耀80MPa，石英砂砾岩岩、石灰岩、中硬，20耀40MPa，砂岩、垮落带高度/m
裂隙带高度/mH2=100移M依8.9
1.2移M+2目前，对于煤矿生产安全而言，最主要的威胁就是瓦斯事故。从煤炭资源的开掘历史来看，每年都会出现瓦斯灾害，人员伤亡严重，财产损失极大。中国煤炭储备量较为丰富，但是由于各处地理环境不尽相同，煤层的赋存条件差异大，含瓦斯煤层多，瓦斯事故频繁发生，制约了煤矿的安全生产。瓦斯本身是一种清洁能源，如果能够实现对瓦斯的有效利用，不仅可以减少化石燃料燃烧产生的污染[1]，还可以有效保护环境，实现能源充足供给，产生显著的社会效益。H1=100移M依2.2
4.7移M+19泥质灰岩砂质页岩、
100移M依1.5软弱，10耀20MPa，泥岩H1=6.2移M+32极软弱，约10MPa，黏土、H1=100移M依1.2
7.0移M+63砂质黏土
H2=
注：H1.垮落带高度，m；H2.裂隙带高度，m；M.煤层开采厚度，m。100移M依5.6
1.6移M+3.6H2=100移M依43.1移M+5H2=100移M依3
5移M+81覆岩垮落带及裂隙带高度预测
当采煤工作面不断向前推进后，上覆岩层随之垮落而在后方采空区内沿竖向形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带[2]。在裂隙带，岩体内发育的裂隙为瓦斯的积聚创造了有利条件。为了有效抽采邻近层瓦斯，实现最佳抽采效果，需要准确判定垮落带、裂隙带的高度。采空区内垮落带、裂隙带高度理论计算公式见表1。瓦斯测定报告显示，A矿瓦斯绝对涌出量为56m3/min，相对涌出量为20m3/t，属于高瓦斯矿井。该矿820综采工作面开采8#煤层，工作面标高866耀941m，走向长700m，倾向长180m。地层柱状图显示，8#煤层的老顶为厚4m的细粒砂岩，直接顶和直接底分别为厚4.5m和1.5m的泥岩，老底为厚8.0m的细砂岩。收稿日期：2019-07-19
作者简介：韩彪，1987年生，男，山西长治人，2013年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，助理工程师。
根据岩石单轴抗压强度测试，直接顶和老顶均属于中硬岩层，按照表1中对应公式计算得出820综采工作面的垮落带高度达9.4m，裂隙带高度达37m。根据820综采工作面上覆岩层情况，采用FLAC3D模拟软件建立计算模型。模型的边界条件为：模型底边界固定支撑，模型四周为辊支撑，顶面为自由边界。其中，模型上部为应力边界条件，依据矿井地层实际赋存条件取15MPa。计算模拟工作面回采对上覆岩层应力分布的影响和位移情况。模型建立后，进行初始应力求解，计算后模拟工作面开挖过程，记录上覆岩层随工作面开挖其垮落带高度的变化情况，并绘制如图1所示的垮落带和裂隙带发育变化规律图。由图1所示变化曲线可知，随着工作面的推进，垮落带和裂隙带的发育高度随之增大，工作面推进80m左右时趋于稳定。垮落稳定后的垮落带高度约11m，裂隙带发育高度约35m，数值模拟结果与经验公式计算结果相差不大。·163·
2019年第9期
3530垮落带裂隙带
2520151050
0
10
20
30工作面40推50进距离60/m
7080
90
100
图1垮落带和裂隙带发育变化规律图
2高位钻孔瓦斯抽采技术及应用效果分析
结合820综采工作面的瓦斯涌出量，发现邻近层涌入的瓦斯体积分数超过了47%，因此设计选用大孔径高位钻孔抽采裂隙带内积聚赋存的瓦斯，从而拦截上邻近层瓦斯。在工作面回风顺槽上方14m处布置高位钻场，大直径抽放钻孔的长度为400m，终孔位置要求覆盖巷道轮廓线20m，2个相邻钻场之间的钻孔搭接长度为20m。钻孔布置示意图如图2所示。1m
1m
1#3#4#钻场
2#5#0.5m
a)主视图
风顺槽
54##
#
20m回352#41##
3#2#1##
820综采工作面
运输顺槽
图2高b)位钻俯孔视布图
置示意图
上述高位钻孔选用ZDY6000L钻机及椎113mm钻杆打设，每个钻孔分3次成型，初次施工孔径为113mm，第一次扩孔孔径为153mm，第二次扩孔孔径为193mm[3]。钻孔施工参数见表2。表2大孔径高位钻孔施工参数
单位：毅
孔号1###仰角020311.54#5#2方位角
+5
+3
+1
-1
-3
按设计要求打设出钻孔后，将每个抽采钻孔与孔板流量计连接，并且连接到椎273mm×5mm螺旋焊缝钢管上[4]。抽采开始后，定期测定钻孔内的瓦斯参数并汇总测定结果。测定的1#钻孔瓦斯体积分数变化如·1·
2019年9月
图3所示，抽采纯量如图4所示。8580757065600
5
10
时间15/d
2025
30
图31#钻孔瓦斯体积分数变化图1211100
5
10
时间15/d
2025
30
图41#钻孔瓦斯抽采纯量变化图
记录结果显示，1#钻孔瓦斯抽采体积分数平均为78%，抽采纯量平均为11m3/min；2#钻孔分别为43%、5.5m3/min；3#钻孔分别为63%、8m3/min；4#钻孔分别为66%、2.0m3/min；5#钻孔分别为90%、6m3/min。抽采支管内的瓦斯总量达33m3/min，有效抽采了70d；高抽巷的最大抽采总量为15m3/min，有效抽采了40d。由此发现，大孔径钻孔抽采无论在整体抽采量上，还是在抽采周期上，都明显优于传统的抽采方式。3结语
a)根据理式计算得出820综采工作面的垮落带高度为9.4m，裂隙带高度为37m。运用FLAC3D模拟软件分析了采空区上覆岩层的应力及位移演化规律，结果表明，820综采工作面的垮落带高度为11m，裂隙带高度为35m，与经验计算公式相差不大。b)820综采工作面选用大孔径顶板走向钻孔抽采邻近层瓦斯，对比理论分析与现场实测抽采结果可知，大孔径钻孔抽采瓦斯的效果良好，表明钻孔参数设计合理。参考文献：1］简煊祥，李云飞，林毅.我国煤与瓦斯共采技术现状及展望［J］.
山西焦煤科技，2011，35(6)：23-27.
2］刘振明，年军，吕晓波，等.斜沟煤矿高位钻孔合理终孔位置模
拟与试验研究［J］.煤炭科学技术，2018，46(5)：120-124.3］王兆丰，陈滔，潘丰茂，等.极近距离上邻近层瓦斯抽采试验研
究［J］.河南理工大学学报(自然科学版)，2017，36(1)：12-16.4］刘军.预抽钻孔负压沿孔长变化特性及对瓦斯抽采效果影响
研究［D］.焦作：河南理工大学，2014.
（责任编辑：刘晓芳）
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