过断层破碎带抽放工艺设计

分类：艺术设计论文发表 时间：2020-04-03 11:20 关注：(1)

　　针对李村煤矿1301工作面过断层破碎带瓦斯抽放问题，采用FLAC3DExtrusion数值分析软件模拟工作面过断层模型，得到了瓦斯应力异常区与覆岩载荷的应力贯通距离为距前方断层20m处，应在此范围内进行瓦斯超前预抽放。并针对在瓦斯抽放过程中由于断层破碎带内应力较大产生的卡钻、吸钻问题，提出了空压机“孔内高压”抽采工艺，优化了瓦斯超前预抽采方案，提高了瓦斯抽放工效。

　　关键词：断层破碎带；泥岩涂抹层；FLAC3D数值模拟；瓦斯抽放；最低风压

　　李村煤矿1301工作面为矿井验收试运转工作面，据地层资料显示，该工作面前方存在有1条倾角为60°的正断层FJ10。断层破碎带周围形成了高应力瓦斯积聚区，严重威胁到工作面的正常回采[1]。因此，为确保安全回采，采用数值模拟的方式判断瓦斯积聚的应力集中区范围，并通过分析工作面发生瓦斯异常涌出时的极限距离，设计瓦斯超前应力释放的最小超前距，并根据实际抽采过程时的应力现象，优化抽采工艺，提高瓦斯抽采的安全系数[2]。

　　1工程概况

　　李村煤矿1301工作面采用大采高一次采全高沿空留巷工艺回采。现回采煤层为3#煤层，工作面采高为6m，煤层与顶底板参数见表1。根据地层资料显示，工作面前方存在1个正断层，走向为175°，倾向85°，落差2m，延伸长度为218m。

　　2工作面过断层数值模拟

　　2.1模型建立与开挖

　　模拟对象为工作面前方正断层附近的影响岩层，通过采用FLAC3D数值分析中的接触面命令进行模拟分析，模型中选取断层倾角60°，模拟煤层与顶底板岩性参照表1中数据进行参数设置。模型顶部施加均布载荷12.7MPa，模型长×宽×高为100m×80m×100m，数值分析模型如图1。当工作面开始回采后，在断层带影响下，工作面围岩内的瓦斯分布状况发生了改变，为确保工作面在回采过程中的安全性，需对不同回采距离下的采场应力分布进行进一步分析。因此，设计了工作面距断层40、30、20m时的开挖分析模型，模拟时采用弹性材料对模型采空区进行回填处理，对采空区进行无塑性区处理，以免影响分析结果[3-4]。

　　2.2数值模拟结果

　　工作面进行回采时，断层附近的应力场随采动应力的不断变化而发生改变，通过对比工作面距断层40、30、20m3种情形下的应力分布情况，可以预测出煤壁发生瓦斯事故的极限危险距离，不同回采距离下围岩主应力分布如图2。对比3种回采模型下的主应力分布图可以得出，随着工作面的推进，在工作面与断层之间的一定范围内出现了应力增高现象，且其应力峰值随着推进距离的不断增大而增大。当工作面距断层40m时，工作面前方出现应力增高现象，且应力峰值约为10.5MPa，断层尾端也同样出现应力集中现象，且应力峰值为13.9MPa，此时2个应力区相距较远，并未发生应力贯通；当工作面距断层30m时，工作面前方的应力区与断层带下侧的应力区范围不断扩大，并呈现出相互贯通的扩散态势，此时工作面前方的应力峰值为约12.5MPa，断层尾端的应力峰值约为15.7MPa；当工作面距离断层20m时，工作面前方与断层破碎带的2组应力场相互叠加，形成贯通，此时两应力区发生能量转移与释放，工作面前方的应力峰值逐渐减小至10.5MPa，断层尾端的应力峰值逐渐减小至13.6MPa。为进一步分析应力贯通时的塑性分布状况，截取工作面距断层20m时的塑性区分布（图3）。由图3可知，随着工作面与断层距离的不断缩小，断层上盘受开采扰动影响范围增大。究其原因是泥岩受剪切破坏严重，导致孔隙率增大，为瓦斯的扩散提供了有利渠道。并且，当工作面推进至距断层20m处时，裂隙发生贯通，瓦斯应力瞬间释放，此时工作面煤壁在受到高瓦斯应力与地层应力的双重叠加作用下剥离煤体，发生大面积片帮，并向采空区侧喷射弹性能，是发生瓦斯事故的边界距离。

　　3瓦斯防治措施方案

　　3.1断层破碎带对钻孔的影响

　　由于工作面前方存在应力异常区，在打钻过程中会出现吸钻、卡钻现象，不仅会影响抽采进程，而且断留在煤壁内的钻杆会对工作面的回采造成安全隐患。经统计，在对1301工作面2个运输巷进行瓦斯预抽采时，大多数钻孔不满足成孔要求，其中50~80m长的成孔数量约占20%，30~50m长的成孔数量约占22%，30m长的成孔数量约占7.5%，卡钻孔约占2.2%，且这些不满足成孔要求的钻孔分布范围较为集中。由此可知，此区域内的瓦斯压力较大，且与孔内空间形成较大的压力差，严重影响了瓦斯的抽采效果。究其原因是在进行钻孔抽采时，前方煤壁为瓦斯应力集中区，当钻孔钻进一段距离后，会出现喷孔现象，孔内压力与应力集中区应力梯度较大，喷孔源头周围的孔壁进入加速变形阶段，瞬间增大变形量，导致钻孔内壁与钻杆之间的孔隙减小，造成排渣困难。并且随着钻孔深度的增大，钻屑不断积累并箍紧钻头，从而出现卡钻现象[5-6]。

　　3.2“孔内高压”方案

　　瓦斯抽采是利用孔内空间与瓦斯积聚区的压力梯度，实现瓦斯不断由高压侧向低压侧空间运移的过程[7]。随着钻孔深度的不断增大，钻孔内壁压力也逐渐增大，且呈现为非均匀性分布状态。钻孔越深，内壁裂隙扩张现象越明显，单位时间的瓦斯释放量越大。然而，大量瓦斯释放后，瓦斯吸附压力发生变化，这种变化又反作用于钻孔内壁，进一步形成裂隙的扩张、延伸，持续推进瓦斯解吸反应[8-9]。“孔内高压”的抽采工艺是通过增大钻孔内的风压值，减小钻孔与预抽采区瓦斯压力的梯度差，从而减缓空隙内瓦斯的解吸反应，在满足瓦斯抽放的同时，避免瓦斯压力瞬间释放时发生吸钻、卡钻现象:同时通过增大孔内压力，可以对钻孔内壁施加一定的支撑力，保持钻孔内壁的完整性，避免塌孔现象发生，同时也为钻孔形成的煤屑提供了释放空间。通过空压机施加孔内高压，可以有效避免因瓦斯应力迅速变化所造成的钻孔内壁裂隙迅速扩张现象，可以有效控制单位时间内的瓦斯流量，提高成孔率。将风流近似看作为不可压缩流体，结合瓦斯原始压力0.25MPa，可以得到孔底风压为0.714MPa，考虑到可能存在设备漏风及局部风压损失，最终确定空压机出口风压不得低于0.8~0.9MPa。对比我国井下现有空压机的设备性能，可选取ZDY1900S（MKD-5S）型钻机进行风压钻孔，配套的钻杆直径为63.5~73mm。

　　3.3抽采钻孔参数

　　为优化1301工作面顺层预抽采钻孔布置参数，确定合理的抽采半径，采用观测法对测压钻孔内的瓦斯流量进行对比分析。在运输巷中选取距断层15m与40m2组瓦斯流量测点，每组测点分别布置4个间距2m、长50m、孔径94mm的测试孔，且距2#孔1m处布置预抽孔，分析抽采前与抽采30min后的瓦斯流量。测压钻孔布置示意图如图4。由观测得到，抽采30min前后，靠近断层侧的2#孔瓦斯流量增加了23.7%，3#孔瓦斯流量增大了3.4%，1#孔与4#孔变化不明显，可确定靠近断层侧抽采半径为1m；远离断层侧的2#孔瓦斯流量增大了32.6%，3#孔瓦斯流量增大了21.8%，3#孔瓦斯流量增大了6.2%，4#孔变化不明显，可确定远离断层测试抽采半径为2m。但在实际抽采时常布置为多孔密集抽采，此时会存在着抽采叠加显现，因此为尽可能减少钻孔数量，应将远离断层侧的抽采孔间距适当增大至2.5m。为便于钻孔，选取钻孔高度1.5m，垂直运输巷并向上倾斜2°进行钻孔，钻孔全长约130m，孔径113mm。

　　4结论

　　1）通过模拟工作面过断层数值模型，可以得出当工作面距断层20m时，断层带的应力区会与工作面前方煤壁处的应力区发生贯通，此时在高瓦斯应力与地层应力的双重作用下，易发生工作面煤壁片帮以及瓦斯动力灾害。因此需对超前工作面20m范围内的煤体进行应力释放。2）为有效提高成孔率，改善瓦斯抽采效果，提出了采用ZDY1900S（MKD-5S）型钻机实施“孔内高压”的高风压抽采方式，空压机出风口风压不得低于0.8~0.9MPa。3）通过观测测压钻孔瓦斯压力变化，确定靠近断层侧钻孔最佳布置间距为1m，远离断层侧钻孔最佳布置间距为2.5m，钻孔高取1.5m，钻孔全长取130m，孔径取113mm，钻孔倾角为垂直运输巷并向上倾斜2°。4）采用此工艺进行瓦斯预抽采，能够有效降低瓦斯积聚区的安全隐患，并减少打钻时的卡钻、吸钻、塌孔现象，提高瓦斯抽采效率。

　　作者：张永刚 鲍俊睿 单位：山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司