特厚老顶工作面高位钻孔参数优化设计

岩石 名称
厚度 /m
9． 17 ～ 23． 73
粗砂岩
17． 5
细砂岩、 2． 42 ～ 5． 04
页岩
3． 60
0． 26 ～ 0． 67
炭质页岩
3． 60
0． 95 ～ 2． 67
砂质页岩
1． 59
中砂岩
0 ～ 12． 8 7． 97
岩性 特征
灰白色，厚层状， 遇水松散
黑 ～ 灰白色、 薄 ～ 中厚层状，节理发育
依据 4321 工作面及顶板上覆岩层参数建立数 值模型，其中模型底板标高为 + 660 m。为了最大限 度降低边界效应对模拟结果的影响，模型左、右边界 范围应取至工作面开采形成的充分采动角影响范围 以外，模型上边界取至上覆岩层关键层以外，模型左 右边界及底边界边界条件为固定边界。根据上述分 析，模型尺寸为 350 m × 370 m，煤层倾角为 24°，采 用数值模拟软件 ABAQUS 对顶板上方岩层的下沉 量进行数值模拟。模型计算采用莫尔 － 库仑（ Mohr － Coulomb） 屈服准则［4］：
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实际情况，拟采用高位钻孔技术的采空区瓦斯［3 － 6］。
2 高位钻孔参数优化设计
2． 1 4321 工作面上覆岩层下沉量数值模拟 由于 4321 工作面煤层顶板岩层复杂，其中老顶
厚度多达 17． 5 m，裂隙带划分界限及岩层沉降位移 量较之一般情况将会产生差异，为了准确设计高位 钻孔参数，对 4321 工作面顶板岩层下沉量及裂隙膨 胀率进行了模拟，主要模拟了膨胀率随距风巷距离 大小之间的变化规律。 2． 1． 1 模型建立
灰色，薄层状，节理发育， 较破碎
灰色，薄层状， 节理发育，较破碎
灰白色，厚层状， 较硬
4321 工 作 面 开 采 时 瓦 斯 涌 出 量 最 大 为 54． 2 m3 / min，瓦斯涌出量主要来源是采空区瓦斯，导致 工作面上隅角和回风流瓦斯浓度超限，根据工作面
Hale Waihona Puke 应用·实践（ 2013 － 03）
10、15、20 m 处岩层的膨胀量在距风巷水平距离 18
～ 24 m 处区域内达到最大，说明此区域为裂隙高度
发育区，卸压最充分。
2． 2 高位钻孔参数优化
1） 距回风巷最优水平距离。由数值模拟结果
可知，钻孔钻孔位置布置在距风巷 18 ～ 24 m 处，上
覆岩层膨胀率最大，卸压效果最大。
2） 有效抽放裂隙带高度。由高位钻孔抽放原
中图分类号： TD712
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2013） 03 － 0136 － 03
The Parameters Optimization Design of High Level Borehole for Extra Thick Old Top Coal Mining Face
3） 瓦斯抽放率。实测工作面风排瓦斯纯量平 均为 8． 2 m3 / min，实测埋管抽放瓦斯纯量平均 3． 48 m3 / min，经计算 4321 工作面高位钻孔平均瓦斯抽 放率为 34． 9% 。
1） 通过数值模拟软件 ABAQUS 对 4321 工作面 顶板岩层的模拟，得出了顶板上覆岩层下沉量和膨 胀率的变化规律，根据模拟结果对高位钻孔参数进 行优化，找出了高位钻孔抽放最优水平距离 （ 距风 巷） 及抽放有效裂隙高度。
顶板复杂特性及高位钻孔抽放效果不佳问题，利用 ABAQUS 数值模拟软件研究了顶板岩层裂隙
发育特性。模拟结果显示： 裂隙高度发育区位于距风巷水平距离 18 ～ 24 m、顶板上方 20 m 处，
依此对高位钻孔的抽放参数进行了优化设计。
关键词： 瓦斯涌出； 采空区； 高位钻孔； 数值模拟； 瓦斯抽放； 特厚老顶
1） 瓦斯抽放浓度。根据对钻孔抽放数据观测， 钻孔在裂隙带抽放采空区瓦斯期间，瓦斯浓度最低 26． 8% ，最高 38． 2% ，平均抽放浓度 32． 5% 。
2） 瓦斯抽放量。实测单孔混合流量平均为 4． 2 m3 / min，支管路混合流量为 25 m3 / min，支管路瓦斯 浓度为 15% ； 高位钻孔抽放瓦斯纯流量最大为 9． 72 m3 / min，最小为 2． 78 m3 / min，平均瓦斯纯流量 6． 25 m3 / min。
岩石是否产生裂隙。
2． 1． 2 数值模拟结果
模型关键层选取位置分别为距顶板上方 5、10、
15、20 m 处，数值模拟后，分别得到上覆岩层下沉
量、膨胀量与模型水平距离之间变化规律模拟结果，
如图 1、图 2。
图 1 煤层开采后顶板上覆岩层下沉量数值模拟
图 2 上覆岩层膨胀量分布图
根据图 1、图 2 模拟结果显示： 距离顶板上方 5、
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（ 第 44 卷第 3 期）
应用·实践
特厚老顶工作面高位钻孔参数优化设计
张云峰1，2 ，胡依鲁2
（ 1． 徐州赛孚瑞科高分子材料有限公司，江苏 徐州 221008； 2． 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 22116）
摘 要： 金能煤业分公司 4321 综采工作面瓦斯涌出量大，且瓦斯来源主要是采空区。针对煤层
槡 fs
=
σ1
－
σ3
1 1
+ －
sinφ sinφ
+ 2c
1 + sinφ 1 － sinφ
式中： σ1 、σ3 分别是最大和最小主应力； c 和 φ 分别是材料的黏结力和摩擦角。当 fs ＜ 0 时，材料 将发生剪切破坏。在一般低应力状态下，岩石（ 煤）
是一种脆性材料，因此可根据岩石的抗拉强度判断
4结语
图 3 风巷高位钻场及钻孔布置示意图
表 2 1#高位钻孔设计参数
编号
1# 2# 3# 4# 5# 6#
孔径 / mm
108 108 108 108 108 108
方位角 /（ °）
167 167 170 170 172 172
仰角 /（ °）
13 10 12 9 11 8
终孔高度 /m
20 20 20 20 20 20
作量和生产成本，根据 4321 工作面钻孔抽放半径考
察资料，高位钻孔开孔位置间距取 0． 5 m，终孔位置
间距取 8 m 为宜。
4） 抽放负压。钻孔抽放时，保证一定的抽放负
压，有利于 瓦 斯 抽 放，但 抽 放 负 压 必 须 在 一 定 范 围
内，负压过大反而不利于抽放，依据 4321 工作面煤
层瓦斯赋存情况，高位钻孔抽放负压取 20 ～ 30 kPa。
2． 3 高位钻孔抽放系统布置
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（ 第 44 卷第 3 期）
应用·实践
4321 工作面采用“U”型通风方式，工作面风流 为上行风流，根据以上钻孔参数优化研究，具体布孔 方案： 沿工作面走向，1# 钻场距切眼 100 m，其余钻 场间距均为 60 m。高位钻场的规格为宽 × 高 × 深 = 3． 0 m × 2． 3 m × 7 m，其中前 4 m 以 30°的角度向 上倾斜上坡，后 3 m 水平伸展，即为平台段，在平台 段施工 6 个孔径为 108 mm 的高位钻孔，分 2 排布 置，如图 3，高位钻孔的开孔间距为 0． 5 m，钻孔参数 见表 2，其他钻场同 1#钻场钻孔设计。
高位钻孔抽放采空区瓦斯是我国高瓦斯及煤与 瓦斯突出矿井普遍采用的抽放形式，该技术可有效 地提高瓦斯抽放浓度和瓦斯抽放率［1 － 2］，但钻孔设 计不合理将导致瓦斯抽放浓度和瓦斯抽放率偏低。 金能煤业分公司 4321 工作面顶板岩层结构较之其 他工作面更加复杂，老顶厚度为 17． 5 m，垮落带、裂 隙带及弯曲下沉带高度参数与理论值将有较大偏 差，因此如何合理设计高位钻孔参数是实现钻孔高 效抽放采空区瓦斯的关键。
University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China） Abstract： The gas emission is large in No． 4321 fully mechanized coal mining face in Jinneng Mine，and the gas emission sources are mainly from the goaf． Aiming at the the problems of roof＇s complex nature and poor drainage effect of high level borehole，the characteristics of roof rock crack is researched by using the numerical simulation software － ABAQUS． Simulation result shows that rational fissure development zone is located in the place from air gate horizontal distance 18 ～ 24 m and above roof 20 m． So，drainage parameters of high level borehole is designed and optimized on account of this result． Key words： gas emission； goaf； high drilling； numerical simulation； gas drainage； extra thick old top roof
理可知，高位钻孔应布置采空区顶板裂隙带内，裂隙 带高度（ 考虑顶板下沉量） 按如下公式计算［4 － 5］。
H
=
（
k
M－W － 1） cosα
（ 1）
式中： M 为煤层采高，m； k 为岩石碎胀系数； α