0 引 言

近年来，采空区瓦斯治理已成为煤矿安全生产必不可少的重要环节[1-3]。高位钻孔是治理采空区瓦斯的主要措施，高位钻孔抽采采空区瓦斯不仅瓦斯治理效果好，现场工程量也相对较小[4-6]。选择合理的终孔层位对瓦斯抽采效果至关重要，终孔层位过低，抽采过程中夹带大量空气，导致钻孔瓦斯浓度较低；终孔层位过高，顶板裂隙发育不充分，钻孔抽采量较小。因此，为高位钻孔布置合理的终孔层位对保证抽采效果尤为重要。

国内外学者基于大量的理论推导、现场统计、经验摸索，为确定高位钻孔终孔层位做了大量的研究工作[7-10]，确定方法主要有参照周边矿井布置法、经验计算法及理论推导“竖三带”法，这些方法在高位钻孔终孔位置设计时，取得了良好的应用效果。然而，仍存在一定的弊端。首先，受工作面顶板赋存条件和开采方法的影响，顶板垮落特征与采空区瓦斯分布规律必然有所不同[11-15]；其次，确定终孔位置不仅要考虑顶板岩石的裂隙特征，还要从煤体透气性的角度考虑瓦斯在裂隙中运移规律的关系[16-17]；最后，在研究终孔位置时，不能简单认为裂隙带就是高位钻孔的终孔位置，还要考虑沿裂隙带不同高度的裂隙发育特点[18]；另外，高位钻孔的终孔位置受采动影响较大，确定终孔位置还要考虑采动对顶板裂隙发育规律的影响。

陈桥驿先生正式发表的地名学论文成果卓越，名文迭出，除了上述所举论文之外，还有：《地名学与地理教学》(《地理教学参考》1980年5月)、《论浙江省的方言地名》(《浙江学刊》1983年2期)、《浙江省县(市)名简考》(《中国历史地理论丛》1985年1期)、《论地名重合》《论地名重合(续)》(《中国地名》1991年1期、3期)、《中国的非汉语地名——以〈水经注〉记载为例》(《中国方域》1993年3期)、《论中国的非汉语地名》《论中国的非汉语地名(续)》(《中国地名》1998年3期、4期)、《中国古代的地名研究》《中国古代的地名研究(续)》(《中国地名》2000年5期、6期)。

笔者以斜沟煤矿18205工作面为研究对象，采用FLAC3D模拟采动条件下覆岩渗透特性分布规律随工作面推进的变化特征，并通过现场试验确定终孔位置在顶板裂隙带的分布高度，从而为确定采动条件下18205工作面高位钻孔合理终孔位置提供科学依据。

1 工作面概况

斜沟煤矿18205工作面位于矿井12采区辅运下山南侧，东部、南部、西部均为实体煤。工作面可采走向长度2 094.2 m，倾向长度269 m。工作面采用U型通风方式，开采初期共布置3条巷道，分别为材料巷、运输巷、开切眼。18205工作面主采8号煤层，开采区域煤层平均厚度为6.34 m，平均倾角为9°。投产初期对工作面瓦斯含量进行测定，测定结果见表1。

 

表1 18205工作面瓦斯含量测定值Table 1 Gas content measurement of No.18205 working face

  

采样地点损失瓦斯量Q1/(cm3·g-1)常压解吸瓦斯量Q2/(cm3·g-1)粉碎瓦斯解吸量Q3/(cm3·g-1)常压不可解吸量Qc/(cm3·g-1)瓦斯含量/(cm3·g-1)18205工作面0.079 40.026 50.5171.3151.937 9

2 采空区顶板覆岩渗透特性分布规律

由图3可知：1号钻孔内瓦斯抽采纯量为10.5～11.2 m3/min，2号钻孔内瓦斯含量为17.3～17.8 m3/min，3号钻孔内瓦斯含量为17.2～17.6 m3/min，4号钻孔内瓦斯含量为11.4～12.3 m3/min。分析其原因为1号钻孔距煤层顶板较低，钻孔层位邻近冒落带，随着工作面推进，顶板“三带”会继续缓慢下降，由于层位中裂隙与采空区联通，在抽采负压作用下钻孔抽入大量空气，且在后期随着工作面推进岩层冒落易造成钻孔坍塌堵塞，因此抽采浓度较小；由于4号钻孔终孔位置较高，则在工作面与冒落拱之间的区域，裂隙发育不充分，在垂向上裂隙发育高度较低，瓦斯向上运移较少，因此抽采效果不佳；2号、3号钻孔由于在裂隙带下部离层区，竖向裂隙不发育，以离层裂隙为主，瓦斯沿裂隙顺层方向流动，离层空间内积聚大量高浓度瓦斯。在抽采负压作用下，采空区和邻近层瓦斯沿裂隙系统移近到该层位，因此2号、3号钻孔抽采效果较为显著，最终确定18205工作面高位钻孔终孔层位选在距煤层顶板17 m处。

2.1 18205工作面数值模拟模型的建立

数值模型中煤岩体采用莫尔-库伦模型，开挖煤层采用空单元，模型底部为固定约束，四周为约束水平运动，为真实模拟地下410 m应力环境，在模型上部施加6 MPa的覆岩载荷。不同岩层的物理力学参数见表2。

  

图1 18205工作面数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model of No.18205 working face

18205工作面数值模拟模型如图1所示，建立数值模型模拟的煤岩层长×宽×高为340 m(X)×900 m(Y)×200 m(Z)。X方向上在8号煤层中平行布置回采工作面，工作面倾向长度为280 m，工作面两侧各留设20 m宽的保护煤柱，为消除边界影响考虑在两端留30 m的实体煤，因此确定模型的X方向长度为340 m ；因回采工作面的实际走向长度为2 100 m，为保证模型合理性并简化模型，确定模型在Y方向上实际长度取900 m；为消除模型边界效应，模型上边界为水平410 m处，下边界为600 m处，因此确定模型在Z方向的长度为200 m。

 

表2 不同岩体力学参数

 

Table 2 Mechanical parameters of different rock masses

  

岩性黏聚力/MPa内摩擦角/(°)泊松比弹性模量/GPa细粒砂岩4.2310.2518.68泥岩7.8280.257.986号煤2.1230.251.49砂质泥岩4.4250.255.95中细粒砂岩16.8320.2519.89泥岩7.9280.258.028号煤2.0310.252.48砂质泥岩11.8320.2512.00中粗粒砂岩20.0360.2520.02

2.2 模拟结果分析

钻孔采用囊袋式带压注浆封孔工艺封孔，封孔深度10 m，封孔管为直径50 mm的PVC管(阻燃、抗静电)，与ø508 mm主抽放管路连接，最后到达18205抽采泵站。高位钻场抽放设施安装完成后必须对高位钻场进行密闭处理，密闭前对钻场采用木跺进行充填，然后在钻场上平台施工1道500 mm的料石墙，第2道密闭墙施工在巷道口，密闭墙采用砖密闭且喷浆处理，插管对钻场进行抽放，并留检测孔进行日常监测。

 

表3 顶板岩层渗透率的划分依据Table 3 Partition basis of roof strata permeability

  

有效应力/MPa<100100^500500^1 0001 000^3 000岩(煤)层渗透率/(m2·MPa-2·d-1)<0.10.1^1010^100>100区域低渗区中渗区高渗区特高渗区抽采难度较难抽采可以抽采容易抽采—

当有效应力为500～1 000 MPa时，顶板岩层属于高渗区，此时钻孔在抽采负压影响下，瓦斯运移速度较快，高位钻孔的抽采纯量最高。当有效应力大于1 000 MPa时，顶板岩层属于特高渗区，此时抽采过程中，夹带大量空气，抽采效果较差。因此，高位钻孔终孔位置的合理区域为高渗区。通过观察工作面不同推进距离覆岩渗透特性的变化规律，为确定采空区顶板裂隙带分布特征提供科学依据；即观测18205工作面采空区顶板覆岩渗透特性随工作面不同推进距离(Y方向)的变化规律。工作面推进至不同位置覆岩渗透特性分布模拟结果如图2所示。

  

图2 工作面推进至不同位置覆岩渗透特性分布模拟结果Fig.2 Simulation results of overburden infiltration characteristics distribution of the working face in different positions

由图2可知：采空区上方卸压区域随工作面推进至120 m前高度不断增加，面积不断增大；工作面推进120～180 m时，采空区上方卸压高渗区域高度变化甚微，而向远离工作面以及覆岩高位方向转移。若高位钻孔终孔层位布置在特高渗流区内，由于工作面漏风影响，抽采浓度较低，且受岩层垮落影响，抽采孔容易出现变形坍塌等问题，所以高位钻孔终孔层位一般布置在高渗流区内。18205工作面顶板20 m为采空区顶板中渗区，因此最终确定工作面顶板上13～20 m是高位钻孔的布置区域。同时研究结果表明：在层状的赋存情况下，煤层经过采动之后地应力将会发生改变，应力的改变对渗透率的影响是显而易见的，但是对水平渗透特性与垂直渗透特性的影响却存在差异。

高位钻孔在顶板初次垮落后开始发挥作用，斜沟煤矿18205工作面的初次垮落距离约为40 m，当工作面推进至120 m时，采空区上方卸压高渗区域高度变化基本稳定，故稳定后相邻钻场的走向间距为80 m；18205工作面高位钻孔走向长度为90 m，接续时超前10 m发挥作用。根据模拟结果，通过测定13～20 m不同终孔层位的钻孔抽采瓦斯浓度，为确定18205工作面高位钻孔的终孔层位提供科学依据。试验条件为高位钻孔终孔位置与回风巷的水平投影距离均为15 m，距煤层顶板的垂直距离H分别为14、16、18、20 m。依据高位钻孔的走向长度、水平投影距离、顶板垂直距离、钻孔开孔方位角，设计试验钻孔的孔长和钻孔倾角。试验钻孔设计参数见表4。

3 采空区顶板覆岩高渗流区竖向渗透规律

3.1 现场试验方案

3.种植耐病的玉米品种。比如之前提到的鲁单50和中玉4号等，虽然是耐病品种但也可能染上病毒，所以需要在玉米安全播种期进行播种，这样控制效果才能更加明显。

钻孔封孔后通过抽采期间观测未发现漏气现象。钻孔与抽采管路连接完毕后，每天分别对1号钻场4个试验孔进行瓦斯抽采纯量监测，并绘制出4个钻孔随工作面推进距离的抽采瓦斯纯量变化曲线，如图3所示。

 

表4 试验钻孔技术参数

 

Table 4 Test borehole technical parameters

  

钻孔编号终孔距煤层顶板/m钻孔倾角/(°)孔长/m钻孔直径/mm开孔间距/m开孔距钻场底板距离/m方位角/(°)114171071130.61.525216201121130.61.728318221191130.61.532420251241130.61.737

工作面开始回采后，采空区顶板岩层出现不同程度的下沉，顶板岩层出现不同程度的裂隙发育情况，岩层的渗透特性发生改变。岩层渗透率变化主要受围岩应力和瓦斯压力的影响，平行于层理方向渗透率与应力敏感性比垂直于层理方向高；渗透增高的峰值都要滞后于煤岩体破坏峰值。渗透率作为衡量裂隙变化规律的指标，可以用来作为高位钻孔卸压抽采的合理范围。依据岩层渗透率与有效应力的关系，可以推导出顶板岩层渗透率作为合理终孔位置的划分依据[19-20]。顶板岩层渗透率的划分依据见表3。

3.2 试验结果分析

检测得到55株木生淡水丝孢菌，基于形态学及分子生物学方法对木生淡水丝孢菌进行鉴定，共鉴定出木生淡水丝孢菌23属37种，出现频率相对较高的属为Minimelanolocus（4.5%），其次为Stachybotrys（2.5%）和Bactrodesmium（2.5%）。见表2。采用H′计算得出金沙江木生淡水丝孢菌多样性指数是3.48，同时计算得出金沙江海拔1 800～1 900 m、1 900～2 000 m、2 000～3 000 m以及3 000 m以上的木生淡水丝孢菌多样性指数依次为2.07、2.01、1.57、1.50。见表3。

  

图3 工作面推进至不同位置钻孔抽采瓦斯纯量的变化规律Fig.3 Change rule of drilling gas extraction pure quantity whenworking face is pushed forward to different positions

采用FLAC3D模拟采动条件下覆岩渗透特性分布规律随工作面推进的变化特征，即确定出不同推进距离顶板裂隙带的分布特点。

3.3 现场应用效果评价

18205工作面回采期间，相邻高位钻场间距为80 m，钻场规格为4.5 m×4.0 m×3.1 m，即钻场长4.5 m，宽4.0 m，高3.1 m。每个钻场共布置8个钻孔，钻孔分上、下2排布置，每排布置4个钻孔，同排钻孔连接一个集气管。钻孔孔口外使用ø152 mm软管连接至集气管，从集气管上接内径ø160 mm抽放管到放水箱，在从放水箱出气孔利用内径ø160 mm软管接至ø580 mm主管路。由于高位钻场长度较长并穿过煤层，因此在钻孔抽放管路接设完毕后，在钻场起坡位置打设密闭墙，向墙内布设一趟ø152 mm抽放管(加蝶阀控制流量)，接设至钻场最内部顶板处，密闭墙内抽放软管外接上隅角ø377 mm抽放管路，同时在密闭钻场前留设2趟监测束管。统计每个高位钻场抽采管道内工作面回采期间的瓦斯抽采纯量的钻场抽采总量，连续观测6个钻场，钻场瓦斯抽采纯量统计结果见表5。

结合南京宁芜铁路区位特点与要素分析，铁路外迁后原走廊优先采用轨道交通与绿道再利用模式，即用于布设轨道交通以及城市绿道系统，以改善沿线公交与慢行出行条件。其中，利用铁路走廊铺设地下轨道交通8号线，提供滨江、板桥、麒麟门、仙林、新尧等外围地区与主城南部与东部片区之间的快速联系，串联沿线数十条轨道交通客流通道，形成多个城市公共交通换乘枢纽。新增南部东西向市级绿道，进一步优化主城东南片区绿道慢行网络，串联起秦淮河、雨花台公园、明外郭土城头风光带等结构性绿道。同时，贯通主城片区东西向与南北向7条城市干路，消除断头路，加强跨片区道路交通联系。

 

表5 钻场瓦斯抽采情况统计

 

Table 5 Statistic of gas extraction in drilling field

  

钻场编号钻场与开切眼距离/m抽采时间/d抽采瓦斯体积分数平均值/%累计抽采瓦斯量/m34号206167.7435 295.65号285158.6506 312.56号366167.8483 762.47号447167.6472 631.98号526168.8496 358.49号605177.5486 352.6

18205工作面采用高位钻孔瓦斯治理措施后，上隅角瓦斯浓度基本维持在0.6%左右，回风流瓦斯体积分数约为0.42%。因此利用高位钻孔抽采瓦斯在保障工作面的安全回采中起到了至关重要的作用。

4 结 论

1)当斜沟煤矿18205工作面推进距离至120 m前，采空区上方卸压区域高度不断增加，面积不断增大；当工作面推进超出120 m时，采空区上方卸压高渗区域高度变化甚微，而向远离工作面及覆岩高位方向转移。在层状的赋存情况下，煤层经过采动之后地应力将会发生改变，应力的改变对渗透率的影响是显而易见的，但是对水平渗透特性与垂直渗透特性的影响却存在差异。

2)高位钻孔终孔层位选在距煤层顶板16～18 m时，由于在裂隙带下部离层区，竖向裂隙不发育，以离层裂隙为主，瓦斯沿裂隙顺层方向流动，离层空间内积聚大量高浓度瓦斯，钻孔抽采效果较为显著。18205工作面采用高位钻孔瓦斯治理措施后，上隅角瓦斯体积分数基本维持在0.6%左右，回风流瓦斯体积分数大约为0.42%。

1.4 HPV检测步骤 用凯普宫颈细胞收集器采集宫颈细胞，采用HPV核酸扩增分型检测试剂盒，快速准确诊断妇女宫颈细胞样本中14种高危型HPV(HPV16，HPV18及 12种高危型 HPV包括HPV31，33，35，39，45，51，52，56，58，59，66，68， 后12中高危型HPV具体不分型)。

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