深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策.pdf

第 40 卷第 10 期煤炭学报Vol40No10 2015 年10 月 JOUNAL OF CHINA COAL SOCIETYOct2015 张农， 薛飞， 韩昌良深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 J 煤炭学报， 2015， 40 10 22512259doi 1013225/j cnkijccs20156015 Zhang Nong， Xue Fei， Han ChangliangTechnical challenges and countermeasures of the co- excavation of coal and gas with no- pillar retains in deep coalmine J Journal of China Coal Society， 2015， 40 10 22512259doi 1013225/jcnkijccs20156015 深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 张农 1， 2 ， 薛 飞 1， 2， 韩昌良1， 2 1中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州221116; 2中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116 摘要 深井留巷钻孔法煤与瓦斯共采中留巷围岩变形大， 留巷钻孔易破坏、 抽采效果差。结合淮 南矿区煤与瓦斯共采实践， 通过力学分析构建了钻孔在采动作用下的破坏模型， 对各参数的影响规 律进行了分析， 通过套管水泥环围岩三维数值模拟计算， 探讨了水泥环与围岩性质对钻孔稳定 性的影响， 得出 采动应力集中易导致钻孔发生挤压型失稳， 而岩层层间滑移易导致钻孔发生剪切 型失稳， 采用厚壁套管、 柔性充填、 危险层位扩孔让压等措施可以有效提高钻孔稳定性。进而提出 了深井超前留巷强化钻孔与高位回风巷强化钻孔的瓦斯抽采技术， 并在朱集矿 1111 1 工作面与 1112 1 工作面进行了试验。试验结果表明 强化钻孔的抽采效果及钻孔稳定性显著优于普通抽 采钻孔， 单孔最大瓦斯抽采流量达 81 m3/min， 有效抽采距离达 150 m 以上， 实现了深井无煤柱煤 与瓦斯的高效共采。 关键词 无煤柱煤与瓦斯开采; 留巷钻孔; 失稳; 高效抽采 中图分类号 TD712. 6文献标志码 A 文章编号 02539993 2015 10225109 收稿日期 20150801责任编辑 常 琛 基金项目 教育部 “创新团队发展计划” 滚动支持计划资助项目 IT_1455 ; 教育部科学技术研究资助项目 113030A ; 中央高校基本科研 业务费专项资金资助项目 2014XT01 作者简介 张农 1968 ， 男， 安徽金寨人， 博士， 教授。Email zhangnong 126com Technical challenges and countermeasures of the co- excavation of coal and gas with no- pillar retains in deep coalmine ZHANG Nong1， 2， XUE Fei1， 2， HAN Chang- liang1， 2 1School of Mines， China University of Mining and Technology， Xuzhou221116， China; 2Key Laboratory of Deep Coal esource Mining， Ministry of Educa- tion of China， China University of Mining and Technology， Xuzhou221116， China Abstract In view of the large deation in the rock mass of retained entry and the borehole is easy to be damaged by the mining effect in the of integrated coal and gas extraction， based on the practice of co- extraction of coal and gas in Huainan mining area， the mining- induced failure models of the boreholes were built to investigate the main influencing factorsAnd a three- dimensional calculation model of the casing， cement ring and surrounding rock was used to investigate the effect law of the cement and surrounding rock material parameters on the borehole stabilityThe results show that the collapse is easy to occur in the boreholes with non- uni stress environment and the shear fail- ure is often caused by rock strata slippageThe stability of boreholes can be effectively improved by using thick- wall casing， flexible- filling and enlarging drills in dangerous strataBased on the above research results， the advance road- way retaining enhanced borehole and protective seam high- level tailgate enhanced borehole gas extraction technology were put forwardAnd the trials using the technology were implemented at the coal face 1111 1and 1112 1in Zhuji Coal Mine， ChinaThe experimental results demonstrate that the enhanced boreholes are significantly better than the ordinary boreholes in drainage effect and stabilityThe maximum gas drainage flow in single hole is 81 m3/min and 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 the effective drainage distance is more than 150 mThe study obviously makes the high efficiency drainage on pressure- relieved gas become a reality Key words co- excavation of coal and gas with no- pillar retains; boreholes in the roadway retaining; instability; high- ef- ficiency drainage 瓦斯抽采是高瓦斯矿井安全生产的重要保 障 1 。经过数十年探索， 我国逐渐形成了采前、 采 中、 采后一整套抽采体系， 发展了采空区埋管、 地面钻 井、 巷道钻孔法、 顺层钻孔以及走向巷道等多种抽采 方法 27 。尤其是 2003 年以来， 由袁亮院士等首创 的无煤柱煤与瓦斯共采方法为根本解决煤与瓦斯共 采难题提供了又一个科学途径， 相对于传统巷道加钻 孔抽放方法， 可以大大减少巷道和钻孔工程量， 显著 提高瓦斯抽采效率， 得到广泛应用 89 。但随着开采 深度的快速延伸， 深井开采的高地压与强动压逐步显 现， 留巷钻孔法推广难度加大， 一方面留巷围岩大变 形后已无钻孔施工空间， 另一方面采动引起的钻孔切 孔现象频发， 导致抽采失效。本文针对留巷钻孔的采 动破坏机理及其主要影响因素， 通过优化钻孔布置方 式及钻孔结构， 提高了无煤柱煤与瓦斯共采技术在深 井开采中的适应性。 1深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战 深部矿井原岩应力显著增高， 瓦斯赋存压力增 大、 涌出快， 瓦斯威胁更为严峻， 必须进一步加强和实 施无煤柱煤与瓦斯共采， 突破以下技术挑战， 其中抽 采钻孔的布置方式、 施工时机和孔壁保护是深井无煤 柱煤与瓦斯共采的关键制约因素。 1 深井留巷空间不足， 难以施工钻孔。 深部煤岩体在高地应力、 高岩溶水压、 高地温 和反复开采扰动等多重作用之下， 围岩变形呈现出 强烈的扩容性、 流变性与冲击性。相对于浅部沿空 留巷， 深部沿空留巷煤岩体损伤破坏范围大， 基本 顶破断线向实体煤深部转移， 顶板下沉与回转变形 增大， 煤帮扩容、 鼓出， 底臌剧烈10 。图 1 为淮南矿 区 4 个典型案例中， 沿空留巷在采后 20， 40 和 60 m 的断面尺寸统计， 可以看出， 由于埋深及顶板性质 存在差异， 各个留巷围岩变形程度不同， 如潘一东 矿 1252 1 工作面埋深较浅、 顶板岩性好， 采后 20， 40， 60 m 处的断面尺寸分别为 11. 8， 10. 9， 9. 7 m2， 稳定后断面收敛率为 35。朱集矿 1111 1 工作 面由于埋深较深， 顶板岩性较差， 采后 20， 40， 60 m 处的断面尺寸分别为 4. 9， 4. 3， 4. 2 m2， 稳定后断面 收敛率为 66， 约为 1252 1 工作面的 2 倍 初始 断面尺寸均为 12 m2 ， 此时留巷内已无足够空间施 工瓦斯抽采钻孔。 图 1淮南矿区各工作面留巷围岩变形对比 Fig. 1elationship between sectional area of retained entry and distance to working face 此外， 留巷内还需架设 23 排单体液压支柱进 行辅助支护， 进一步限制了留巷钻孔的施工空间。 2 采前施工瓦斯抽采钻孔， 切孔、 堵孔现象严 重， 钻孔抽采失效。 随着工作面推进， 采空侧顶板岩体的剧烈回 转、 断裂和下沉及采动应力调整， 导致该区域内预 先布置的抽采钻孔时常发生切孔、 堵孔， 瓦斯抽采 通道得不到有效的保障， 严重制约了瓦斯抽采效能 发挥。朱集矿 1111 1 工作面现场监测表明， 堵孔 时单孔平均瓦斯抽采流量不足 0. 3 m3/min， 后续的 抽采更得不到保障， 工作面瓦斯超限时常发生， 受 此影响工作面推进速度大大降低， 煤与瓦斯高效共 采难以实现。 3 滞后施工钻孔难以满足钻孔成孔及施工安 全要求。 采后 2060 m 施工钻孔， 留巷围岩已发生破断 损伤， 并仍处于运动调整期， 在留巷内施工钻孔易出 现卡钻、 塌孔现象， 难以满足钻孔成孔质量要求; 同时 大量卸压瓦斯通过采动裂隙进入采空区， 施工时会从 钻孔中涌出大量瓦斯， 造成局部瓦斯超限， 严重威胁 施工安全。 2留巷钻孔采动破坏机理 2. 1挤压破坏模型 钻孔施工后短时间内其内壁的应力为 0， 随着时 间的推移， 地层应力重新分配， 围岩应力通过水泥环 以载荷的形式施加给套管形成外部挤压力。 如图 3 所示， 以地层套管系统为研究对象， 假 2522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期张农等 深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 图 2朱集矿 1111 1 工作面抽采钻孔破断实照 Fig. 2Photographs of extraction borehole fracture in 1111 1face of Zhuji Mine 设地层与套管均为弹性状态， 根据弹性力学理论， 将 问题简化为平面应变问题。套管的外径和壁厚分别 为 r 和 d， 地层垂直和水平方向 3 个应力分别为 V， H ， h， 钻孔套管横截面方向上的应力通过坐标变化 可以表示为 x Hcos 2 hsin2 cos2Vsin2 yHsin2hcos2 1 图 3套管截面方向受力模型 Fig. 3Mechanical model along sectional direction of casing 由基尔斯解答上述非均匀地应力场可以分解为 平均地应力场和偏差地应力场， 引用记号 和 s 1 2 x y s 1 2 x y 2 由石油工程领域的研究成果可知， 在平均地应力 场下， 略去高阶小量得地层对套管的外挤力简化公 式 11 为 q 2 1 vs 1 0 3 式中， 负号表示压应力; 0为地层与套管的刚度比， 0 Es 1 v2 c r Ec 1 vs d;Es， vs， Ec， vc 分别为地层和套管的 弹性模量和泊松比。 在偏差地应力场下， 地层对套管的外挤力为 qs 4s 1 vs cos 2 3 2vs0 1 3 d r 3 2 1 0 d r 2 4 由式 3 和 4 叠加即可得非均匀地应力场对套 管的外挤力 q 2 1 vs 1 0 4s 1 vs cos 2 3 2vs0 1 3 d r 3 2 1 0 d r 2 5 式 5 可以表示为 q q1 q 2cos 2。 式中， q1 2 1 vs 1 0 q2 4s 1 vs 3 2vs0 1 3 d r 3 2 1 0 d r 2 6 单独将套管作为研究对象， 套管采用 Von Mises 屈服准则， 在弹性状态下采用逆解法进行求解可得套 管的抗挤强度计算公式12 为 Pc 1. 154s Kp 1 A Kp 1 2A1 6B 6C 2D 7 式中， A 1 1K2 r ， A1 1 2 13K4 r 4K 6 r 4K2 r 1K2 r 2 1K4 r 2， B K4 r K 2 r1 4K2 r 1K2 r 2 1K4 r 2 ， C 1 2 1K4 r 4K2 r 1K2 r 2 1K4 r 2， D K6 r 1 4K2 r 1K2 r 2 1K4 r 2， Kr rd r ， Kp q1 q 2 q1 q 2 ， s为套管的 屈服强度。 钻孔套管一般为碳钢等弹脆性材料， 当钻孔某截 面处受到的外挤压力达到并超过套管的抗挤强度时， 套管将在该截面处发生挤压型破坏， 导致套管变形、 破断， 阻塞瓦斯流通通道， 导致抽采效率降低。为了 评判抽采钻孔是否会发生挤压破坏， 引入挤压破坏安 3522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 全系数 fc， 即钻孔套管的抗挤强度与所受的最大外挤 压力之比 fc Pc qmax 8 式 8 即为抽采钻孔的挤压破坏判据， 当挤压破坏 安全系数1 时， 即认为钻孔套管将发生挤压型破坏。 2. 2剪切破坏模型 采空区上方大范围岩层移动使布置其中的留巷 钻孔常发生剪切破坏， 如图 4 所示。钻孔的剪切变形 呈 “S” 型分布， 套管变形形式可近似用正弦函数13 表示 u y Asin 2y a 0 y a 2 9 式中， y 为剪切区域沿套管的长度; u y 为 y 点套管 的剪切位移量; A 为岩层剪切滑移量的 1/2; a 与岩层 物理力学性质和应力环境有关， 为剪切区域宽度的 1/2; 为考虑岩体及固孔材料塑性变形产生的对套 管变形的剪切缓冲系数， 与岩层及所采用的固孔材料 的性质有关。 由材料力学梁的弯曲变形原理可知， 钻孔套管剪 切滑移变形状态下的弯矩方程为 M 4AEI2 a2 sin 2 a y 0 y a 2 10 式中， E 为套管的弹性模量。 图 4套管剪切变形的 “S” 型模型 Fig. 4S model of casing shear deation 由材料力学基础知识， 结合式 10 可得环形梁 的截面剪应力计算公式14 为 QS* z Izb 8AE3 3a3 cos 2 a y r2 x 2 3 2 r d 2 x 2 3 2 r2 x 2 1 2 r d 2 x 2 1 2 11 式中， Q 为梁横截面上的剪力; S* z为截面上距中性轴 为 x 的横线以外部分面积对中性轴的静矩 图 5 ， S* z r 2 x 2 3 2 r d 2 x 2 3 2; Iz为横截面对中 性轴的惯性矩， Iz r4 r d 4/4; r， d 分别为 环形梁的外径和壁厚; b 为梁壁厚的 2 倍，b 2 r2 x 2 1 2 r d 2 x 2 1 2 。 图 5环形梁截面剪应力示意 Fig. 5Annulus beam section shear stress 式 11 即为抽采钻孔在剪切滑移状态下的剪应 力分布表达式， 套管截面最大剪应力表达式为 max 8AE3 3r 2 3rd d2 3a3 cos 2 a y 12 同样， 为了评判抽采钻孔是否会发生剪切滑移破 坏， 引入剪切破坏安全系数 fs， 即套管的剪切强度与 截面最大剪应力之比 fs lim max 13 式中， lim为套管的抗剪强度。 式 13 即为抽采钻孔的剪切破坏判据， 当剪切 破坏安全系数1 时， 即认为钻孔套管将发生剪切破 坏。 2. 3影响因素分析 为了更直观地反映各参数对钻孔稳定性的影响 程度， 下面将相关的力学参数代入有关公式， 以实际 计算结果予以说明。计算中采用的有关数据如下 V30 MPa， kH / V 0. 3， Ec 210 GPa， vc 0. 3， Es 4. 2 GPa， vs 0. 3， r 0. 069 5 m， d 0. 006 m， s550 MPa， lim 420 MPa， A 0. 01 m， a 1. 4 m， 0. 35。 计算结果如图 6 和图 7 所示。显然， 在挤压破坏 形式下， 钻孔所处的应力环境对其稳定性具有显著影 响， 套管的挤压安全系数随着载荷均匀度的增大呈指 数型增大， 套管在均匀载荷下的稳定性显著高于其在 非均匀载荷下的稳定性。因此， 煤层开采形成的应力 集中易导致钻孔发生挤压型破坏， 钻孔应避免布置在 应力集中区。 除了应力环境， 套管的外径、 壁厚及套管材质的 屈服强度对钻孔挤压稳定性也有影响， 钻孔挤压稳定 性随着套管外径的减小、 壁厚的增加及屈服强度的提 4522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期张农等 深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 图 6载荷均匀度、 套管壁厚、 屈服强度及外径对套管挤压稳定性的影响 Fig. 6Impacts of load uniity， casing outer diameter， wall thickness and yield strength on the casing compression stability 图 7岩层剪切滑移量、 剪切区域宽度、 套管壁厚及外径对套管剪切稳定性的影响 Fig. 7Impacts of the amount of shear slip， the width of shear zone， casing wall thickness and outer diameter on the casing shear stability 高而增大， 其中套管壁厚的增大对增强钻孔挤压稳定 性最为显著。因此， 采用厚壁套管可以防止钻孔发生 挤压型破坏。 岩层剪切滑移量及剪切区域的宽度对钻孔的稳 定性具有显著影响， 随着岩层之间的剪切滑移量的增 大， 套管剪切安全系数呈指数型降低， 在剪切滑移量 较大的岩层区域， 可预先扩孔增大剪切滑移缓冲空 间， 避免剪切破坏。而剪切区域的宽度与岩层性质有 关， 岩层强度越低其剪切区域宽度则越大。因此， 钻 孔剪切破坏更易发生于硬岩分界面处， 此时应采取局 部保护措施。类似于挤压破坏形式， 套管剪切稳定性 随着套管外径的减小、 壁厚的增大近似呈线性增大。 2. 4数值模拟分析 采用 FLAC3D 构建了套管水泥环围岩三维数 值模型 图 8 ， 模型尺寸为 2 m2 m3 m， 套管尺寸 为 139 mm6 mm。其中套管材质为 N80 石油套管， 套管采用弹性模型， 套管弹性模量为 210 GPa， 泊松 比为 0. 3， 密度为 7 850 kg/m3， 最小屈服强度为 5522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 550 MPa。水泥环和围岩采用 MohrCoulomb 模型， 材料参数分别见表 1 和 2。 图 8三维数值模型 Fig. 8Three dimension simulation model 表 1水泥材料力学参数 Table 1Cement mechanical parameters 序号 密度/ kgm 3 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 12 5002. 71. 75. 424 22 3002. 41. 34. 222 32 0002. 20. 93. 020 41 8001. 80. 62. 018 51 6001. 30. 21. 215 表 2围岩力学参数 Table 2Surrounding rock parameters 序号 密度/ kgm 3 体积模 量/GPa 剪切模 量/GPa 黏聚力/ MPa 内摩擦 角/ 1 煤层1 8001. 50. 31. 0629 2 泥岩2 5003. 51. 61. 935 3 粉砂岩2 8003. 62. 22. 245 4 粉细砂岩2 9004. 63. 22. 647 5 细砂岩3 0005. 34. 02. 850 1 模拟方案。 挤压稳定性分析， 模型上下两面施加垂直方 向位移约束， 四周施加压应力 Px和 Pz， Px 30 MPa， Pz10 MPa。对于不同因素的影响效应， 采用逐次改 变围岩性质参数和水泥环性质参数求解运算并进行 对比分析。 剪切稳定性分析， 在模型上下两层岩层四周 分别施加 x 正向及负向位移， 加载速度为 510 6 m/ step， 运算 3 000 时步， 同样逐次改变围岩性质参数和 水泥环性质参数求解运算并进行对比分析。 2结果分析。 数值计算结果如图 9 和 10 所示， 图中套管挤压 安全系数为套管屈服强度与最大 Von- mises 应力之 比， 套管剪切安全系数为套管抗剪强度与最大剪应力 之比， 套管剪切滑移量为套管单元 x 方向最大位移 量。 图 9挤压作用时套管挤压安全系数随水泥环和 围岩性质的变化规律 Fig. 9Variety of casing compression safety factors with the properties of cement and surrounding rock under compression 钻孔在挤压作用下， 套管挤压安全系数随着水泥 环弹性模量逐渐减小、 泊松比逐渐增大 即水泥环由 脆性逐渐变为柔性 而不断增大。因此， 采用柔性水 泥固孔可以提高钻孔的稳定性; 随着地层弹性模量的 增加和泊松比的降低， 即由软岩逐渐变为硬岩时， 套 管挤压安全系数呈近似线性增大。因此， 挤压型破坏 一般更易发生于软弱岩层段， 在钻孔防护设计时， 应 加强软弱岩层段的钻孔抗压强度。 钻孔在剪切作用下， 随着水泥环材料参数弹性模 量逐渐减小、 泊松比逐渐增大， 即水泥环由脆性逐渐 变为塑性时， 套管所受的最大剪应力逐渐增大， 套管 最大滑移量逐渐减小， 但均不显著。因此， 采用高强 6522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期张农等 深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 图 10剪切作用时套管剪切安全系数及剪切滑移量随水泥 环和围岩性质的变化规律 Fig. 10Variety of casing shear safety factors and shear slippage with the properties of cement and surrounding rock under shear 度水泥能够改善钻孔的抗剪性能， 但是这种改善作用 并不显著; 随着围岩性质由煤逐渐过渡到细砂岩， 套 管所受的最大剪切应力及最大剪切滑移量均逐渐 增大， 且都呈现出近似指数型变化趋势。同时， 由于 岩层在剪切滑移时会出现不同程度的塑性流动， 因 而， 套管实际的剪切滑移量均小于岩层剪切滑移量， 且岩层岩性越软， 这种缓解效应越明显。因此， 钻孔 的剪切破坏更易发生于坚硬岩层交界面处。因而， 在 坚硬岩层交界面处可以采用人工扩孔的方式增大剪 切缓冲空间， 以防止剪切破坏。 3强化钻孔高效抽采技术 针对深井煤与瓦斯共采的技术难题， 以钻孔稳定 性保障为核心， 提出超前留巷强化钻孔高效抽采技术 及保护层高位回风巷强化钻孔高效抽采技术， 进一步 完善煤与瓦斯共采技术。 3. 1技术原理 1 超前留巷强化钻孔抽采技术。 如图 11 a 所示， 在留巷钻孔法煤与瓦斯共采技 术基础之上， 将钻孔施工位置从留巷内提前到工作面 前方 6080 m 处， 同时采用高强套管、 扩孔让压、 柔 性充填等钻孔稳定性保障技术， 确保钻孔在采动期间 的稳定性， 实现钻孔采前、 采中、 采后“一孔三用” 连 续高效瓦斯抽采模式， 在保障瓦斯抽采效果的同时降 低钻孔施工量及瓦斯治理成本。 图 11超前留巷强化钻孔抽采技术原理 Fig. 11Schematic diagram of advance roadway retaining enhanced borehole extraction technology 2 保护层高位回风巷强化钻孔抽采技术。 如图 11 b 所示， 将保护层掘进期间的消突巷道 作为工作面回采时的回风巷道， 与本工作面两条回采 巷道构成 “Y” 型通风短段临时留巷系统， 将钻孔的施 工位置从留巷内转移至高位回风巷内， 不但可以避免 钻孔施工与工作面回采之间的相互干扰， 增大施工空 间， 同时还大大减弱钻孔所受的采动扰动效应， 此外 在高位回风巷内还可施工低位钻孔抽采采空区瓦斯， 替代采空区埋管和顶板走向钻孔。 3. 2抽采效果 图 12 a ， b 和表 3 分别总结和对比了朱集 矿 1111 1 工作面所施工的普通留巷超前钻孔与 超前留巷强化钻孔的瓦斯抽采流量， 两者的对比反 映了钻孔稳定性对抽采效果的影响 第 3 组钻孔未 采用强化钻孔技术在工作面推过后发生了破坏， 在 整个抽采期内瓦斯抽采流量均处于较低水平， 其有 效抽 采 距 离 仅 为 30 m，平 均 瓦 斯 流 量 仅 为 0. 17 m3/min， 最大瓦斯流量为 0. 69 m3/min， 抽采 7522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 煤炭学报 2015 年第 40 卷 总量为 48 283 m3。采用强化钻孔抽采技术后， 第 2 组钻孔在整个抽采期内钻孔稳定性得到了保障， 钻 孔抽采效能得以充分发挥， 有效抽采距离超过 150 m， 平均瓦斯流量提高了 10 倍以上， 最大瓦斯 流量提高了 6. 1 倍， 总抽采量提高了 5. 1 倍。这些 充分表明了强化钻孔在抽采效果上的优越性。 图 12钻孔抽采瓦斯流量曲线 Fig. 12Gas flow curves of retaining borehole 表 3第 2， 3 组钻孔抽采效果对比 Table 3Comparison of gas drainage perance between borehole Groups 2 and 3 项目 最大瓦斯流量/ m3min 1 平均瓦斯流量/ m3min 1 抽采瓦斯 总量/m3 第 3 组钻孔0. 690. 1748 283 第 2 组钻孔4. 901. 90294 797 提高比例/610 1 017510 图 12 c 总结了朱集矿 1112 1 工作面所施工 的保护层高位回风巷强化钻孔的瓦斯抽采流量， 由于 远离强采动影响区域， 钻孔采用的护孔套管强度及壁 厚均低于超前留巷强化钻孔， 在护孔成本大大降低的 同时瓦斯抽采效果也得到了保障， 单孔最大瓦斯流量 达到 8. 1 m3/min， 充分体现了该技术的优越性。 上述结果表明采用强化钻孔能够显著改善钻孔 的抽采效果， 充分发挥钻孔的抽采效能， 延长钻孔的 有效抽采距离， 从而降低钻孔工程量和抽采成本， 通 过进一步优化钻孔布置及井下抽采系统配置后有望 替代地面钻井。 4结论 1 分析了深井无煤柱煤与瓦斯共采面临的技 术挑战， 指出留巷围岩的持续大变形及钻孔采动破坏 是制约无煤柱煤与瓦斯共采在深井开采中应用的关 键难题。 2 构建了钻孔在采动作用下的破坏模型， 对各 参数的影响规律进行了分析， 并采用套管水泥环 围岩三维数值模拟， 探讨了水泥环与围岩性质对钻孔 稳定性的影响， 结果表明采动应力集中易导致钻孔发 生挤压型失稳， 而岩层层间滑移易导致钻孔发生剪切 型失稳， 采用厚壁套管、 柔性充填、 危险层位扩孔让压 等措施可以有效提高钻孔稳定性。 3 提出了超前留巷强化钻孔与保护层高位回 风巷强化钻孔瓦斯抽采技术， 并成功应用于深井瓦斯 治理工程中， 显著改善了瓦斯抽采效果， 单孔最大瓦 斯流量达 8. 1 m3/min， 有效抽采距离达 150 m， 平均 瓦斯抽采流量相对提高了 10 倍以上， 实现了卸压瓦 斯的高效抽采。 参考文献 1Karacan C O， uiz F A， Cote M， et alCoal mine methane A review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction J International Journal of Coal Geology， 2011， 86 23 121156 2程远平， 付建华， 俞启香中国煤矿瓦斯抽采技术的发展J采 矿与安全工程学报， 2009， 26 2 127139 Cheng Yuanping， Fu Jianhua， Yu QixiangDevelopment of gas extrac- tion technology in coal mines of ChinaJJournal of Mining Safe- ty Engineering， 2009， 26 2 127139 3俞启香， 程远平， 蒋承林， 等高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采 原理及实践J中国矿业大学学报， 2004， 33 2 127131 Yu Qixiang， Cheng Yuanping， Jiang Chenglin， et alPrinciples and applications of exploitation of coal and pressure relief gas in thick and high- gas seamsJ Journal of China University of Mining Technology， 2004， 33 2 127131 4程远平， 俞启香， 袁亮， 等煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试 验研究J中国矿业大学学报， 2004， 33 2 812 Cheng Yuanping， Yu Qixiang， Yuan Liang， et al Experimental re- search of safe and high- efficient exploitation of coal and pressure re- lief gas in long distanceJJournal of China University of Mining Technology， 2004， 33 2 812 5涂敏低渗透性煤层群卸压开采地面钻井抽采瓦斯技术J 采矿与安全工程学报， 2013， 32 5 766772 Tu MinSurface well drilling extracting gas technology in low permea- bility coal seams depressurized miningJJournal of Mining Safe- ty Engineering， 2013， 32 5 766772 6袁亮卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系J 8522 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 第 10 期张农等 深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策 煤炭学报， 2009， 34 1 18 Yuan LiangTheory of pressure- relieved gas extraction and technique system of integrated coal production and gas extraction J Journal of China Coal Society， 2009， 34 1 18 7袁亮， 郭华， 李平， 等大直径地面钻井采空区采动区瓦斯 抽采理论与技术J 煤炭学报， 2013， 38 1 18 Yuan Liang， Guo Hua， Li Ping， et al Theory and technology of goaf gas drainage with large diameter surface boreholes JJournal of China Coal Society， 2013， 38 1 18 8袁亮留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术J 煤炭学报， 2008， 33 8 898902 Yuan LiangThe tec