瓦斯是影响煤矿安全高效生产的主要因素之一 ^{[ 1- 3]} ，特别是高瓦斯煤层，由于瓦斯含量高，开采期间容易出现上隅角瓦斯超限的问题。对于采空区瓦斯的治理，国内外学者进行了大量的研究，形成了高抽巷、采空区埋管、普通高位钻孔等抽采方式 ^{[ 4- 7]} , 对采空区瓦斯的治理均达到了一定的效果，但不可避免地也存在一些缺点，如：采用高抽巷抽采时，掘进和维护费用较高；采空区埋管抽采效率偏低；普通高位钻孔存在抽采时间短、有效抽采孔段短等问题。

近年来我国出现了顶板定向长钻孔抽采采空区瓦斯技术，该技术是通过在煤层顶板布置钻孔，利用工作面回采时顶板产生的裂隙来抽采采空区瓦斯，达到“以孔代巷”的目的，并对该技术进行了大量研究。许超 ^{[ 8]} 、李平 ^{[ 9]} 、赵建国 ^{[ 10]} 等对定向钻机在高位定向钻孔施工技术方面进行了阐述；段会军 ^{[ 11]} 、李彦明 ^{[ 12]} 等利用定向钻机装备进行了煤层顶板定向长钻孔施工，研究了定向钻孔在上隅角瓦斯抽采中的应用；王勇 ^{[ 13]} 、李文刚 ^{[ 14]} 、李宏 ^{[ 15]} 等采用数值模拟方法对顶板高位定向长钻孔的合理布置层位进行了研究；侯国培等 ^{[ 16]} 根据“O形圈”理论，通过对比分析不同布孔高度定向长距离钻孔的瓦斯抽采数据及效果，得出布置定向钻孔的最佳高度；武旭东等 ^{[ 17]} 利用Fluent数值模拟软件研究了顶板走向长钻孔间距和数量对瓦斯抽采效果的影响；程志恒等 ^{[ 18]} 采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法，研究了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制；曹文超等 ^{[ 19]} 定量指出综放工作面采空区覆岩断裂带分布范围，并对高位定向钻孔的合理布置参数进行了优化设计。

综上所述，前人采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法，对定向长钻孔的抽采效果、布孔参数、抽采机理进行了研究，但是研究对象多为单一煤层，对近距离煤层群开采条件下定向长钻孔抽采的研究较少。笔者以万峰煤矿1201工作面为例，采用数值模拟方法研究工作面回采后对邻近层的影响，采用理论计算方法得出钻孔的合理布置位置，试验分析了抽采效果。

1.   工程概况

金晖万峰煤矿位于山西省吕梁市文水县境内，生产能力为120万t/a，属高瓦斯矿井，井田采用立井、单水平、分煤组集中下山开拓方式。

1201回采工作面处于矿井西南浅部区域，走向长约1 125 m，倾向长160 m，采用“U”形通风，最大配风量为1 512 m ³/min。1201回采工作面开采1号煤层，煤层平均倾角为4°，平均埋深540 m，平均厚度为1.5 m，采高1.6 m，距上部1 _上煤层5.5 m，距下部2号煤层11.0 m，1 _上煤层平均厚度0.68 m，2号煤层平均厚度0.74 m；南邻1103工作面采空区，北部为三采区上山保护煤柱，东部为二采区下山，西部为三采区。经测试1号煤层原始瓦斯含量为8.11~11.92 m ³/t，1 _上煤层原始瓦斯含量为11.05~11.90 m ³/t，均为高瓦斯煤层。1201回采工作面岩层柱状图如 图 1所示。

图  1  1201回采工作面岩层柱状图

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2.   工作面回采期间对邻近层的影响及抽采机理分析

2.1   模型建立

根据万峰煤矿1201回采工作面岩层柱状图，采用FLAC ^3D数值模拟软件构建工作面回采期间采空区顶底板应力演化的三维数值计算模型，模型尺寸为200 m×4 m×76.5 m，如 图 2所示。

图  2  数值模型图

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根据煤层埋深及开挖工作面与模型上边界的距离，在计算模型顶部边界施加12.25 MPa的等效载荷，其余5个边界面均设置成速度为0的固定边界。在数值模拟计算过程中，从距模型边界40 m处开始开挖，第一次开挖长度为20 m，之后依次增加10 m。

2.2   结果分析

根据模型计算结果，将工作面不同开挖长度的计算结果以云图的形式显示出来，如 图 3所示。

图  3  工作面顶底板垂直应力云图

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从 图 3中可以看出，随着开挖距离的增加，顶底板应力降低区的高度逐渐增加。开挖到50 m时，应力降低区的高度开始稳定；开挖到40 m时，采空区中部应力开始升高，表明采空区顶底板已经接触；开挖到60 m时，采空区中部应力开始接近原岩应力，表明采空区开始出现重新压实，且随着开挖距离的增加，重新压实的区域也逐渐增大。在重新压实区内，受采动影响产生的裂隙会在垂直应力作用下重新闭合。同时也可以看出，随着开挖距离的增加，1号煤层上方的1 _上煤层、下方的2号煤层和2 _下煤层均处于应力降低区范围，表明这些煤层均受到了1号煤层回采的影响。

2.3   煤层群瓦斯抽采机理分析

煤层在开采过程中会对其顶底板岩层产生影响，在竖直方向上自煤层以上会依次形成垮落带、断裂带和弯曲带，断裂带的形成为瓦斯的存储和流动提供了空间和通道；煤层以下的底板也会在回采过程中受到不同程度的破坏。从上述模拟中可以看出，在开采1号煤层时，其上方5.5 m处的1 _上煤层、下方11.0 m处的2号煤层和13.2 m处的2 _下煤层均受到影响，会经历卸压阶段，产生大量裂隙，从而导致煤层发生卸压增透，大量瓦斯从煤体中解吸出来。由于瓦斯气体的密度低于其他气体密度，在浮力作用下会向上流动，即从下方2号煤层、2 _下煤层解吸出的瓦斯会向采空区流动，上方的1 _上煤层的瓦斯会向采空区上方断裂带流动，最终上下邻近层和本煤层采空区中的瓦斯漂浮到断裂带顶部大量积聚，同时在采空区漏风风流的作用下积聚的瓦斯会向回风巷一侧移动。瓦斯流场如 图 4所示。

图  4  煤层群开采瓦斯流场示意图

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通过在煤层顶板回风巷一侧的断裂带范围内布置走向长钻孔，在抽采负压及浮力和风流的作用下，能够对采空区瓦斯进行有效截流，防止瓦斯在上隅角积聚。同时，由于断裂带会随着工作面回采长期存在，保障了钻孔抽采的长期性。

3.   钻孔布置位置理论计算

从上述分析可知，近距离高瓦斯煤层群开采过程中，上隅角瓦斯的来源除了本煤层采空区外，还有上下邻近层，同时工作面推进、顶板垮落，重新压实区内裂隙闭合，也会影响瓦斯流动。为了保障瓦斯抽采效果，顶板定向长钻孔在垂向上应布置在靠近回风巷的断裂带范围内，在水平方向上应避开重新压实区，对流向上隅角的瓦斯进行拦截，改变采空区瓦斯流场，保障抽采的有效性。

3.1   钻孔高度位置确定

顶板定向长钻孔高度范围可通过采空区“竖三带”中的垮落带高度 H _m、断裂带高度 H _l经验公式计算得出，顶板定向长钻孔高度 H的取值范围为 H _m < H < H _l，经验公式见 表 1。

表  1  垮落带和断裂带高度经验公式

顶板岩性	垮落带高度	断裂带高度
坚硬	${H_{\rm{m}}} = \frac{{100\sum M }}{{2.1\sum M + 16}} \pm 2.5$	${H_{\rm{l}}} = \frac{{100\sum M }}{{2.1\sum M + 2}} \pm 8.9$
中硬	${H_{\rm{m}}} = \frac{{100\sum M }}{{4.7\sum M + 19}} \pm 2.2$	${H_{\rm{l}}} = \frac{{100\sum M }}{{1.6\sum M + 3.6}} \pm 5.6$
软弱	${H_{\rm{m}}} = \frac{{100\sum M }}{{3.2\sum M + 32}} \pm 1.5$	${H_{\rm{l}}} = \frac{{100\sum M }}{{3.1\sum M + 5}} \pm 4.0$
极软弱	${H_{\rm{m}}} = \frac{{100\sum M }}{{7.0\sum M + 63}} \pm 1.2$	${H_{\rm{l}}} = \frac{{100\sum M }}{{5.0\sum M + 8.0}} \pm 3.0$

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万峰煤矿1201回采工作面采高1.6 m，1号煤层上部主要为砂质泥岩及粉砂岩，顶板岩性为中硬，根据垮落带与断裂带高度经验公式可以计算得出垮落带与断裂带高度分别为3.8~8.2、20.4~31.6 m，即钻孔高度应位于8.2~31.6 m内。

3.2   钻孔水平位置确定

顶板定向长钻孔水平范围应在靠近回风巷附近且要避开采空区重新压实区，即：

式中： S ₁为未卸压区域水平长度, m; S为顶板定向长钻孔距回风巷水平距离, m; S ₂为重新压实区边界到回风巷的距离, m。

S ₁可根据 图 5求出。 图 5中 α为煤层倾角， β为顶板覆岩卸压角，Δ S为保证顶板长钻孔充分位于卸压区域内应偏移的水平长度。

图  5  顶板走向长钻孔水平位置确定图

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根据 图 5可以得出：

所以：

重新压实区边界到回风巷的距离可以按下式计算 ^{[ 20]} ：

式中 L为工作面长度, m。

由式(1)、式(3)和式(4)可得：

顶板覆岩卸压角取65°，工作面长度为160 m，根据公式(5)计算得到顶板定向长钻孔距回风巷的水平距离为5.76~53.33 m。

4.   工业性试验

4.1   钻孔布置参数

根据理论计算，结合煤层上方岩性，确定顶板定向长钻孔高度布置在1号煤层上部13.2 m厚度为10 m的砂质泥岩中；为了保证顶板定向长钻孔充分位于卸压区域内且避开重新压实区，选取距回风巷水平距离为20~40 m。现场施工时，在1201回风巷距开切眼345 m位置施工顶板定向长钻孔钻场，钻场宽5 m、高3.4 m，钻场内共施工5个钻孔，钻孔直径153 mm，钻孔设计长度350 m，从距顶板14 m、距回风巷20 m开始施工第一个钻孔。顶板定向长钻孔施工参数见 表 2，布置图如 图 6所示。

表  2  顶板定向长钻孔施工参数

孔号	设计长度/m	开孔方位角/(°)	开孔倾角/(°)	开孔高度/m	终孔直径/mm	终孔与1号煤层顶板距离/m	终孔与回风侧水平距离/m
1	350	253	8	2.4	153	14	20
2	350	251	8	2.4	153	15	25
3	350	249	8	2.4	153	16	30
4	350	247	8	2.4	153	17	35
5	350	245	8	2.4	153	17	40

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图  6  顶板定向长钻孔布置示意图

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4.2   抽采效果分析

工作面开始回采后，分别记录回采不同距离时顶板定向长钻孔的抽采瓦斯浓度(CH ₄体积分数，下同)和瓦斯纯流量、采空区上隅角瓦斯浓度，并将其绘制成曲线，如 图 7所示。

图  7  钻场与工作面不同距离时抽采效果

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从 图 7中可以看出，随着回采过程中钻场与工作面的距离不同，即随工作面回采距离的增大，顶板定向长钻孔抽采可以分为3个阶段：增长阶段、稳定阶段和衰减阶段，且稳定阶段抽采距离较长。在稳定阶段，抽采瓦斯浓度达60%~70%、瓦斯纯流量可达5~6 m ³/min，且整个阶段抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量波动不大，在此期间，上隅角瓦斯浓度维持在0.3%~0.4%，表明抽采效果较好，能够有效防止上隅角瓦斯超限。

在增长阶段和衰减阶段，上隅角瓦斯浓度会有所增加，分析认为，在增长阶段工作面回采距离较短，断裂带范围未发展到顶板定向长钻孔位置，裂隙不发育；在衰减阶段，钻孔高度有所降低，受采动影响增加，破坏了钻孔的完整性。在这两个抽采阶段，可以辅助采用其他抽采方式，加强对邻近层和采空区瓦斯的抽采，以更好地保障工作面安全回采。

5.   结论

1) 数值模拟结果表明，近距离高瓦斯煤层群开采时，随着开挖距离的增大，顶底板应力降低区的高度逐渐增加后趋于稳定，上下邻近煤层受采动影响发生卸压导致煤层瓦斯解吸，在浮力和漏风风流影响下向回风巷一侧积聚。

2) 通过理论分析，顶板定向长钻孔应布置在靠近回风巷的断裂带范围内，由于断裂带会随着工作面回采长期存在，抽采钻孔能够长时间、稳定地抽出瓦斯。

3) 随着回采过程中钻场与工作面的距离不同，顶板定向长钻孔抽采可以分为3个阶段：增长阶段、稳定阶段、衰减阶段，且稳定阶段抽采距离较长。增长阶段和衰减阶段抽采效果有所降低，分析认为是由于断裂带范围未发展到顶板定向长钻孔位置和钻孔高度降低后钻孔完整性遭到破坏而导致的，可采取辅助措施对这两个阶段的邻近层和采空区瓦斯加强抽采。