0.   引言

随着我国煤炭采掘持续向纵深发展，煤与瓦斯突出矿井逐渐增多，采动卸压瓦斯治理难度加大，极易造成采空区上隅角和回风流瓦斯超限。因此，深部煤层采动卸压瓦斯治理已成为煤与瓦斯突出矿井防突工作的重点^[1-4]。

目前，采动卸压瓦斯抽采一般采用高位抽采巷、埋管抽采、斜交钻孔等技术，但以上技术存在施工费用高、井下运输压力大、抽采工序复杂、工期长等弊端。而采用高位定向长钻孔抽采采动卸压瓦斯能够有效缩短工期、降低瓦斯治理费用、减轻井下排矸、运矸压力。采用高位定向长钻孔抽采瓦斯技术代替高抽巷抽采采动卸压瓦斯不仅能够大幅缩减岩石巷道掘进量，有效缓解矿井采掘接替紧张局面，而且瓦斯治理效果显著，该技术已在河南、两淮、山西、陕西、贵州等地诸多矿井推广应用^[5-8]。闫保永等^[9]在山西吕梁双柳矿设计施工4个高位定向长钻孔，且在1号钻孔因层位选择不当或钻孔塌孔、堵孔等不确定因素导致抽采纯量仅为0.5 m³/min情况下，瓦斯总抽采纯量仅比高抽巷低2 m³/min，瓦斯治理成本降低70%，施工工期缩短75%，高位定向长钻孔技术优势显著。许超^[10]提出了定向钻孔施工强造斜技术，在极大缩短定向钻孔爬坡段无效进尺的同时，降低了钻孔复杂孔段成孔风险。王勇等^[11]利用数值模拟结果确定钻孔最佳抽采层位并完成定向钻孔施工，当钻孔进入瓦斯抽采稳定阶段时，平均瓦斯抽采体积分数高达18%，平均瓦斯抽采纯量达8.7 m³/min，利用高位钻孔辅助其他瓦斯治理措施，使工作面瓦斯抽采率高达36.7%。陈功华等^[12]应用高位定向长钻孔抽采瓦斯技术将贵州毕节青龙煤矿回采工作面上隅角瓦斯体积分数由抽采前的0.72%降低到了抽采期间的0.20%~0.40%。李文刚等^[13]采用理论分析和数值模拟相结合的手段确定断裂带发育高度，得出了高位定向长钻孔布孔最佳层位。侯国培等^[14]采用现场试验验证技术确定断裂带发育高度，得出了高位定向长钻孔布孔最佳层位。但是，高位定向长钻孔抽采瓦斯技术在实际应用中经常会出现因采动覆岩“三带”发育高度范围确定失准，定向长钻孔布置层位过高或过低导致技术应用效果不佳的问题。钻孔布置层位过高，覆岩裂隙未导通，极难抽出瓦斯；钻孔布置层位过低，钻孔抽采混量大、瓦斯抽采体积分数低。因此，采动覆岩“三带”发育高度的准确确定极为重要。

鉴于上述分析，以河南平顶山天安煤业股份有限公司八矿（以下简称平煤八矿）己₁₅−15050工作面为研究背景，笔者采用经验公式法和数值模拟实验法对该工作面煤层采动断裂带发育高度进行实验确定，并利用千米定向钻机在工作面施工高位定向长钻孔对所得的断裂带发育高度进行验证，结果与数值模拟结果一致，可为类似深部高瓦斯采煤工作面断裂带发育高度确定提供理论依据和参考。

1.   工作面概况

平煤八矿己₁₅−15050工作面可采走向长度为1 988 m，倾向长度为248 m，煤层厚度为2.5 ～3.8 m，平均煤层厚度为3.3 m，煤层倾角为6～18°，平均为15°。直接顶为深灰色厚层状砂质泥岩，层理明显；基本顶为浅灰色中细粒砂岩；煤的坚固性系数ƒ≤0.17，煤的放散初速度∆P＝28.1 mmHg；原始瓦斯压力为1.2 MPa，瓦斯含量为9.66 m³/t。根据煤与瓦斯突出危险等级划分，己₁₅−15050工作面属于煤与瓦斯突出危险性工作面。己₁₅−15050工作面煤层顶板岩石力学参数测试结果见表1，煤层综合柱状图如图1所示，工作面巷道布置如图2所示。

表  1  煤层顶板岩石力学参数测试结果

Table  1.  Test results of mechanical parameters of coal seam roof and rock stratum

岩石 名称	弹性 模量/GPa	抗压 强度/MPa	抗压强度 平均值/MPa	抗拉 强度/MPa	抗拉强度 平均值/MPa
泥岩	11.0	21.5～27.6	23.3	0.9～1.4	1.05
砂质泥岩	18.5	29.6～47.4	35.3	1.5～4.8	3.1
细粒砂岩	28.3	38.3～72.6	54.0	3.2～7.6	6.1
中粒砂岩	33.6	21.8～85.4	48.5	1.4～6.3	3.3
粗粒砂岩	23.1	21.8～58.9	32.7	2.3～3.3	2.8

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图  1  煤层综合柱状图

Figure  1.  Coal seam comprehensive histogram

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图  2  己₁₅−15050工作面巷道布置

Figure  2.  Layout of VI₁₅-15050 working face roadway

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2.   断裂带发育高度确定

采用高位定向长钻孔抽采采动卸压瓦斯，为保证理想的瓦斯抽采效果，必须首先确定断裂带发育高度，指导高位定向长钻孔设计和施工。目前，断裂带发育高度确定方法依据不同的基本原理可分为现场实测法、经验公式法、数值模拟实验法3种。但是，仅凭1种方法很难准确判定断裂带发育高度。在实际应用中，一般采用2种及2种以上方法判定断裂带发育高度。本文采用经验公式法和数值模拟实验法2种方法综合确定上覆岩层断裂带发育高度。

2.1   经验公式法

“三带”发育高度经验划分一般采用《矿井水文地质规程》关于不同煤岩层性质形成的经验公式。依据己₁₅−15050工作面煤层倾角、覆岩岩石抗压强度等选取“三带”发育高度计算公式^[15]：

式中：H_ma为垮落带高度；M为煤层厚度；H_li为断裂带高度；n为煤分层层数。

将己₁₅−15050工作面平均煤层厚度M=3.3 m，煤分层层数n=1代入式（1）、式（2），可得

由经验公式法计算结果可得，己₁₅−15050工作面钻孔层位应选择在13.2~51.6 m范围内。

2.2   数值模拟实验法

数值模拟实验法依据实验手段和模拟结果表现形式可分为相似材料模拟实验法和数值模拟实验法，两者均是模拟煤层开挖进而分析上覆岩层裂隙发育特征和覆岩垮落情况来确定断裂带高度。相似材料模拟实验法主要通过调节骨料和黏结材料配比模拟不同岩层的岩性，并施加外力载荷模拟实验工作面覆岩承压情况，利用全站仪和高清数码观测和记录煤层模拟开挖后覆岩位移和裂隙发育情况，最终采用钢尺测量断裂带发育高度^[16]。数值模拟实验法则主要利用UDEC、3DEC、FLAC^3D等数值模拟软件，通过对不同层位进行材料参数和节理参数赋值，最终以应力云图、位移云图等表现形式表征采空区覆岩裂隙发育特征和断裂带发育高度。本文利用数值模拟实验法确定上覆岩层断裂带发育高度。

2.2.1   模型建立

基于离散元算法的UDEC数值模拟软件可模拟动静态加载条件下的非连续介质力学行为特征，为工程设计或施工提供理论依据。依据UDEC软件特性和实验目的，沿走向建立尺寸为200 m×100 m（长×高）、以泰森多边形为表现形式的数值模型（图3），对平煤八矿己₁₅−15050工作面采动覆岩断裂带发育高度进行模拟实验。数值模拟实验力学参数同表1，采用直观分析法对实验结果进行分析^[17-18]。

图  3  UDEC数值模型

Figure  3.  UDEC numerical model

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2.2.2   采动覆岩垮落特征分析

在已建立的模型中，煤层上部全部岩层自重简化为重力形式加载于模型顶端，每次模拟开挖20 m对顶板覆岩断裂带发育情况进行模拟，两边各留一定距离煤柱避免边界效应^[19]。模型上部设定为自由边界，底部及左右两侧设定为固定边界，即模型底部及两侧边界节点在各个方向不会发生位移^[20]。数值模拟实验结果如图4所示。

图  4  模拟煤层开挖数值模拟实验结果

Figure  4.  Numerical simulation experiment results of simulated coal seam excavation

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实验模拟工作面回采至40 m时，顶板发生周期垮落，工作面第1次周期来压，离层裂隙已经开始形成，部分区域相邻岩层出现较小的离层，直接顶出现垮落现象，且部分岩体垮落至煤层底板，岩层内部已出现可视化裂隙，裂隙发育至11.3 m。回采至60 m时，工作面第3次周期来压，亚关键层断裂，顶板下部岩层层位运移明显，顶板大部分岩体持续发生垮落，垮落至底板，但上部岩层依然处于较稳定状态，岩层间离层裂隙进一步扩大，且有向更深部岩层延伸的趋势，邻近采空区上覆岩层已产生较小纵向裂隙，裂隙发育至14.7 m。回采至80 m时，工作面第5次周期来压，顶板岩体已基本垮落至顶板，采空区逐渐被压实，且模型顶端发生轻微凹陷；上覆岩层断裂区域逐渐扩大，纵向裂隙逐渐向上发育，且在距煤层顶板41.6 m处以上区域出现多条纵向裂隙，以下区域上覆岩层纵向裂隙基本导通；采空区上覆岩层在计算剖面已逐渐显现梯形形态，裂隙发育至25.1 m。回采至100 m时，工作面第7次周期来压，主关键层破断垮落，上覆岩层纵向裂隙完全导通，上覆岩层基本顶完全垮落至煤层底板，煤层早期被回采区域完全压实，上覆岩层上部岩体发生明显凹陷且有趋于稳定的趋势，顶板基本保持稳定，上覆岩层垮落带、断裂带、弯曲下沉带整体呈现梯形分布。基于垮落带和断裂带分界方法，即关键层是否存在铰接结构可知，垮落带最大发育高度为12.6 m，断裂带最大发育高度为48 m。

3.   现场工业性试验

根据断裂带发育高度确定结果指导高位定向长钻孔设计和施工，通过分析高位定向长钻孔抽采采动卸压瓦斯效果进而验证断裂带发育高度确定结果的准确性。

3.1   高位定向长钻孔设计及施工

基于UDEC数值模拟结果分析得出的断裂带高度，在平煤八矿己₁₅−15050工作面粗粒砂岩、中粒砂岩岩层内由低到高均匀设计6个高位定向长钻孔，开孔方位角为160°，开孔倾角为10°，钻孔直径为120 mm，钻孔编号依次为1号—6号，钻孔全程下入ϕ73 mm筛管进行护孔。钻孔设计参数见表2。钻孔布置如图5所示。

表  2  高位定向长钻孔设计参数

Table  2.  Design parameters of high-level directional long borehole

孔号	孔深/m	下筛管深度/m	钻孔终孔距 煤层垂距/m	钻孔终孔距 风巷平距/m
1号	522	522	16	15
2号	525	525	21	25
3号	527	527	25	35
4号	522	522	29	45
5号	513	513	33	55
6号	501	501	38	65

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图  5  高位定向长钻孔布置

Figure  5.  Layout of high-level directional long borehole

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3.2   瓦斯抽采效果分析

在回采工作面配风量为2 400~3 500 m³/min情况下，对高位定向长钻孔控制回采区域（即己₁₅−15050工作面自2021−08−25—10−27日回采，自开切眼以内72.1~214.7 m范围）各钻孔瓦斯抽采情况进行监测统计，高位定向长钻孔瓦斯抽采体积分数对比如图6所示，高位定向长钻孔抽采混量对比如图7所示，上隅角和回风流瓦斯体积分数变化曲线如图8、图9所示。

图  6  高位定向长钻孔瓦斯抽采体积分数对比

Figure  6.  Comparison of gas extraction volume fraction of high-level diretional long borehole

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图  7  高位定向长钻孔抽采混量对比

Figure  7.  Comparison of extraction and production mixing volume of high-level diretional long borehole

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图  8  上隅角瓦斯体积分数变化曲线

Figure  8.  Change curve of gas volume fraction in upper corner

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图  9  回风流瓦斯体积分数变化曲线

Figure  9.  Change curve of gas volume fraction in return air flow

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（1） 从图6可看出，2号钻孔距煤层顶板20 m，瓦斯抽采体积分数相对偏低，1号、3号—5号钻孔距煤层顶板均在23 m以上，瓦斯抽采体积分数相对较高，单孔最大瓦斯抽采体积分数分别为13.2%，9.1%，7.52%，6.8%。说明高位定向长钻孔布置层位准确且断裂带高浓度瓦斯区在距顶板23 m以上。

（2） 综合图5—图7可看出，1号钻孔抽采混量一直保持在较低水平，判定为无效钻孔。2号钻孔布置在距顶板20 m处，抽采前期，瓦斯抽采混量能够达到抽采管经济流量（10 m³/min）；抽采中期，抽采混量出现明显下降现象，由此认为，距煤层顶板20 m上覆岩层岩性较为破碎；2021年9月20日，己₁₅−15050工作面推进至105 m处，钻孔抽采混量明显上升且抽采后期抽采态势稳定。说明当己₁₅−15050工作面推进105 m时，工作面顶板上覆岩层充分垮落，高位定向长钻孔与采空区断裂带已充分沟通。

（3） 从图8、图9可看出，在工作面回采期间，在日均采4刀煤情况下，上隅角最大瓦斯体积分数为0.71%，工作面正常开采时最小瓦斯体积分数为0.20%，平均瓦斯体积分数为0.47%；风巷最大瓦斯体积分数为0.69%，最小瓦斯体积分数为0.24%，平均瓦斯体积分数为0.47%，期间未出现瓦斯超限。在回采工作面供风量基本保持稳定的情况下，上隅角及回风流瓦斯体积分数与煤层回采推进速度存在正相关关系。

（4） 综合现场抽采情况和瓦斯抽采数据统计情况可知，在1号钻孔判定为无效钻孔，2号钻孔抽采效果较差的情况下，高位定向长钻孔日抽采纯量基本保持在3~4 m³/min。配风量按2 500 m³/min计算，最大风排瓦斯量为17.25 m³/min，最小风排瓦斯量为6 m³/min，平均风排瓦斯量为11.75 m³/min，高位定向长钻孔抽采瓦斯量可达风排瓦斯量的25.5%~34.0%，高位定向长钻孔布置在断裂带确定高度内能有效降低采动卸压瓦斯向上隅角和回风流的逸散量，避免上隅角、回风流瓦斯超限。

4.   结论

（1） 根据经验公式法与数值模拟实验法结果可知，2种断裂带高度确定方法所得断裂带发育高度基本吻合，综合可得己₁₅−15050工作面垮落带最大发育高度为13.2 m，断裂带最大发育高度为48 m。

（2） 通过高位定向长钻孔瓦斯抽采效果分析认定距煤层顶板20 m处上覆岩层岩性较为破碎；断裂带高浓度瓦斯区在距顶板23 m以上；当己₁₅−15050工作面推进至105 m时，工作面顶板上覆岩层充分垮落，高位定向长钻孔与采空区断裂带已充分沟通，与数值模拟实验结果基本保持一致。

（3） 基于经验公式法和数值模拟实验法确定的断裂带发育高度布置高位定向长钻孔，己₁₅−15050工作面在日均采4刀煤情况下，上隅角及回风流最大瓦斯体积分数为0.71%，最小瓦斯体积分数为0.25%，平均瓦斯体积分数为0.47%，期间未出现瓦斯超限，高位定向长钻孔布置在当前层位内能够成功治理上隅角和回风流瓦斯，验证了综合2种方法确定断裂带发育高度的正确性。

（4） 综合现场抽采和瓦斯抽采数据统计情况可知，在回采工作面供风量基本保持稳定的情况下，上隅角及回风流瓦斯体积分数与煤层回采推进速度存在正相关关系；1号钻孔判定为无效钻孔，2号钻孔抽采效果较差，钻孔日抽采纯量基本保持在3~4 m³/min，配风量按2 500 m³/min计算，钻孔抽采瓦斯量可达风排瓦斯量的25.5%~34.0%，钻孔布置在断裂带确定高度内能有效降低采动卸压瓦斯向上隅角和回风流的逸散量，避免上隅角、回风流瓦斯超限。