近距離煤層群保護(hù)層開采頂板走向高位鉆孔瓦斯治理技術(shù)研究

程志恒許向前尤舜武劉曉剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區(qū),100013; 4.晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦,山西省晉城市,048006; 5.淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋礦,安徽省淮南市,232001)

近距離煤層群保護(hù)層開采頂板走向高位鉆孔瓦斯治理技術(shù)研究

程志恒1,2,3許向前4尤舜武5劉曉剛1,3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區(qū),100013; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室,北京市朝陽區(qū),100013; 4.晉城煤業(yè)集團(tuán)成莊礦,山西省晉城市,048006; 5.淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋礦,安徽省淮南市,232001)

為了有效提高謝橋煤礦1242(1)工作面的瓦斯治理水平,采用實驗室相似模擬的方法,分析了1242(1)工作面開采過程中覆巖的裂隙發(fā)育規(guī)律,判定11－2煤層上覆巖層冒落帶和裂隙帶分布范圍,獲取了鉆孔法距參數(shù)的最佳范圍,為頂板走向高位鉆孔的設(shè)計提供參考依據(jù)。現(xiàn)場考察表明,頂板走向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度平均達(dá)到31.1%,平均抽采量為14.85 m3/min,達(dá)到理想抽采效果,保證了綜采工作面安全高效生產(chǎn)。

高位鉆孔 相似模擬 上覆巖層 鉆孔法距 抽采效果

保護(hù)層開采的目的是使被保護(hù)煤層得到充分卸壓,釋放煤層中的彈性能,增大煤層透氣性能,以便于被保護(hù)煤層瓦斯解吸和流動,從而降低突出煤層瓦斯內(nèi)能,宏觀表現(xiàn)為瓦斯壓力下降。而高位鉆孔瓦斯抽采是利用工作面開采后采空區(qū)上覆巖層移動和裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行抽采的一種瓦斯抽采方式,它將抽采鉆孔布置在距煤層頂板一定距離的巖層中,在鉆孔的負(fù)壓作用下抽采頂板裂隙和采空區(qū)瓦斯。高位鉆孔瓦斯治理技術(shù)因其抽采流量大、含量高、工藝簡單逐漸成為工作面最行之有效的瓦斯抽采方法之一。

高位鉆孔的抽采空間應(yīng)分布于瓦斯來源多且釋放充分的區(qū)域,煤層頂板在工作面回采過程中受采動影響,采空區(qū)自上而下形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。高位鉆孔的布置原則是將鉆孔的終孔位置布置到煤層工作面上覆巖層的裂隙帶內(nèi),因此,準(zhǔn)確定位煤層工作面上覆巖層的裂隙帶高度是高位鉆孔布置的關(guān)鍵。

1 工程概況

淮南礦業(yè)集團(tuán)謝橋煤礦位于安徽省阜陽市潁上縣謝橋鎮(zhèn)境內(nèi),原設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a,現(xiàn)生產(chǎn)能力超過800萬t/a、配套800萬t選煤廠,是特大型現(xiàn)代化礦井。礦井共劃分東一、東二、西一、西二4個采區(qū),－610 m和－900 m兩個水平,屬煤與瓦斯突出礦井。主采的11－2煤層為突出煤層,－610 m水平煤層瓦斯含量在4.54～8.87 m3/t,瓦斯壓力0.6～2.4 MPa,煤層透氣性差。隨著開采深度的進(jìn)一步加大,煤層瓦斯含量和壓力不斷增加,防突與瓦斯治理問題已成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要問題。

1242(1)工作面屬于11－2煤層,位于西一采區(qū)西翼,走向長度為3015 m,傾斜長240 m,煤厚2.6 m,煤層傾角14°,工作面標(biāo)高－605～－670 m,煤層瓦斯含量3.0 m3/t。對1242(1)工作面瓦斯來源進(jìn)行調(diào)查分析,結(jié)果顯示約70%瓦斯來源于采空區(qū),其中包括上覆的13－1煤層的卸壓瓦斯,因此對1242(1)綜采工作面采空區(qū)進(jìn)行高位鉆孔抽采顯得十分必要。

2 相似模擬試驗及結(jié)果分析

采用實驗室相似模擬方法分析了1242(1)工作面開采過程中覆巖的裂隙發(fā)育規(guī)律,判定11－2煤層上覆巖層冒落帶和裂隙帶分布范圍,以獲取鉆孔法距參數(shù)的最佳范圍,為頂板走向高位鉆孔的設(shè)計提供參考依據(jù)。

2.1 模型的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件,結(jié)合實驗室實際情況,取模型與原型的幾何相似比為1∶100,容重相似比為0.6,則應(yīng)力相似比為0.006,按照相似理論取時間相似比為1∶10。相似材料選用河砂做骨料,選用石灰和石膏做膠結(jié)料,選用云母粉做分層材料,改變骨料和膠結(jié)材料的成分可以模擬不同類型的巖層。建立傾向模型如圖1所示。

圖1 實驗?zāi)Ｐ图皽y點布置示意圖

在模型中分別布置5條應(yīng)變測線,其中頂板3條,底板2條,共布置60個應(yīng)變測點,觀測覆巖的變形規(guī)律。開采過程是由計算機(jī)控制的YJD－27靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀數(shù)控自動巡回監(jiān)測系統(tǒng)采集應(yīng)變信息,同時布置4條位移測線,分別為61～75、41～60、21～40、5～25;A、B、C、D為設(shè)在模型架左右兩側(cè)固定架上的控制點,這4個點不受開采影響。A、C點和B、D點位于同一水平高度,精確量取A、C點和B、D點之間距離為3010 mm;A、B點和C、D點處于同一鉛垂線上,精確量取A、B點和C、D點之間的距離為1010 mm,3010 mm和1010 mm作為計算的起算數(shù)據(jù)。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 裂斷巖梁運動發(fā)展過程

隨著工作面的不斷推進(jìn),覆巖運動范圍逐漸擴(kuò)大,采場上方的壓力拱由小到大逐漸向上方巖層擴(kuò)展。從相似材料模擬試驗的過程看,當(dāng)工作面推進(jìn)距離大約為工作面長度的1/2.08倍時,壓力拱向上擴(kuò)展到最高處,高度約為工作面長度的1/6.49倍左右。在此過程中,裂隙帶中下位1～2個巖梁已完成了初次運動和數(shù)個周期運動。當(dāng)?shù)谝淮芜\動階段結(jié)束時,破壞拱在工作面垂直方向上不再擴(kuò)展,然后進(jìn)入正常運動階段。破壞拱只在工作面前方方向上跳躍式向前擴(kuò)展,此時破壞拱拱頂為一近似水平線。

2.2.3 上覆巖層破壞范圍

(1)冒落帶。在開切眼附近覆巖最大冒落高度為13.6 m,相當(dāng)于采高的5.04倍。在停采線附近覆巖最大冒落高度為11.5 m,相當(dāng)于采高的4.26倍。從相似模擬試驗過程可以看出,覆巖斷裂端部的位置從下而上逐漸向采空區(qū)方向內(nèi)錯。

(2)裂隙帶。在開切眼附近在覆巖中裂隙帶發(fā)育高度為38.5 m,相當(dāng)于采高的14.26倍。在停采線附近覆巖中裂隙帶發(fā)育高度為34.5 m,相當(dāng)于采高的12.8倍。從相似模擬試驗過程可以看出,裂隙帶范圍內(nèi)主要存在垂直和斜交于巖層層面的裂隙和平行于巖層層面之間的離層裂隙兩種裂隙,這兩種裂隙相互貫通,形成導(dǎo)水和導(dǎo)氣通道。

本次試驗還觀測到,在工作面開采過程中,沿上覆巖層裂隙已發(fā)展至13－1煤層頂板中,這種裂隙以離層裂隙為主,傾斜和垂直裂隙不發(fā)育,且不相互溝通,但是裂隙的存在有利于13－1煤層的卸載作用。

根據(jù)試驗結(jié)果,繪出冒落帶和裂隙帶沿傾斜方向的分布范圍,如圖2所示。工作面在回采過程中,在上覆巖層中形成的冒落帶高度為11.5～13.6 m;導(dǎo)水裂隙帶高度范圍為34.5～38.5 m。

圖2 冒落帶和裂隙帶分布范圍

3 鉆場及頂板高位鉆孔設(shè)計

3.1 高位鉆孔合理層位的選擇

高位鉆孔最佳的層位應(yīng)該在冒落帶上部裂隙帶中下部。上覆巖層冒落帶高度計算公式為:

式中:Hm——冒落帶高度,m;

m——煤層采高,取2.6 m;

k——巖石膨脹系數(shù),取1.3;

α——煤層傾角,(°)。

上覆巖層裂隙帶高度計算公式為:

式中:Hd——裂隙帶高度,m;

∑M——累計開采厚度,取2.6 m。

將參數(shù)代入式(1)和式(2),經(jīng)計算得到該工作面冒落帶高度為11.15 m,裂隙帶高度約為30.1～41.3 m。理論計算結(jié)果與相似模擬試驗結(jié)果相差不大,相似模擬結(jié)果為鉆孔參數(shù)的設(shè)計提供了設(shè)計依據(jù)。

3.2 高位鉆場布置

鉆場采用頂板石門盡頭式,即在與工作面軌道巷道垂直方向往頂板巖層掘一長10～15 m的斜巷,在斜巷末端沿走向設(shè)鉆場,鉆場規(guī)格為8 m× 5 m×3 m(長×寬×高),鉆場間距165 m,共布置7個鉆場。

3.3 鉆孔施工基本參數(shù)設(shè)計

每一個高位鉆場向回采工作面布置8～12個瓦斯抽采鉆孔,孔長160～200 m。高位鉆孔的終孔布置在工作面上覆巖層裂隙帶內(nèi),同時抽采本煤層工作面采空區(qū)瓦斯和被保護(hù)層的裂隙瓦斯,根據(jù)相似模擬試驗結(jié)果,鉆孔垂向高度設(shè)計在13.6～34.5 m,確保鉆場的鉆孔處于裂隙帶穩(wěn)定狀態(tài)。

由于垮落帶的存在,每排鉆孔都有一定的有效抽采范圍,當(dāng)巖石完全垮落后,其中鉆孔將失去抽放作用,為了保證抽采的連續(xù)性,必須解決鉆場與鉆場之間鉆孔的壓茬問題。根據(jù)鉆場高度、鉆孔垂高參數(shù)和前后鉆場的距離,壓茬距離為40 m時可以保證抽采的連續(xù)性。

4 瓦斯抽采效果考察

為了能較好地分析頂板走向高位鉆孔的抽采效果,選擇一個月的整體瓦斯抽采數(shù)據(jù)作為分析對象,在負(fù)壓平均15 k Pa的情況下,1242(1)工作面頂板走向高位鉆孔2012年4－5月份內(nèi)整體瓦斯抽采情況統(tǒng)計見圖3。

由圖3可以看出,1242(1)綜采工作面頂板走向高位鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到31.1%,純瓦斯抽采量為14.85 m3/min左右,抽采效果良好。

1242(1)綜采工作面瓦斯涌出量非常大,平均絕對瓦斯涌出量達(dá)到104.67 m3/min,除采用頂板走向高位鉆孔抽采瓦斯外,還采取Y型通風(fēng)排瓦斯、本煤層順層鉆孔預(yù)抽、沿空留巷埋管、底抽巷穿層鉆孔、地面鉆井抽采等多種抽采方式的綜合瓦斯治理模式,工作面抽采率達(dá)到95%左右,達(dá)到預(yù)期目標(biāo),保證了工作面順利回采,而頂板走向高位鉆孔在其中發(fā)揮著十分重要的作用。

圖3 頂板走向鉆孔瓦斯抽采統(tǒng)計

5 結(jié)論

(1)通過相似模擬試驗分析得出,1242(1)綜采工作面覆巖冒落帶高度為11.5～13.6 m,裂隙帶高度為34.5～38.5 m。

(2)1242(1)綜采工作面頂板走向高位鉆孔的最佳垂向高度應(yīng)設(shè)計在13.6～34.5 m,確保鉆孔終孔位置位于回采工作面頂板裂隙帶內(nèi),壓茬距離為40 m,這樣可以保證抽采的連續(xù)性。

(3)現(xiàn)場考察表明,頂板走向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度平均達(dá)到31.1%,平均抽采量為14.85 m3/min左右,達(dá)到理想抽采效果,保證了綜采工作面安全高效生產(chǎn)。

[1] 楊潤全.遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采上覆被保護(hù)層卸壓效應(yīng)研究[J].中國煤炭,2012(11)

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992

[3] 吳世躍,郭勇義.Y型通風(fēng)方式治理高產(chǎn)綜采面瓦斯的研究[J].西安科技學(xué)院學(xué)報,2001(3)

[4] 梁運培,文光才.頂板巖層“三帶”劃分的綜合分析法[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2000(5)

[5] 孟攀,葉金炎.采場覆巖裂隙發(fā)育及高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計[J].煤田地質(zhì)與勘探,2013(2)

[6] 聶敏忠.朱莊煤礦高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(8)

[7] 熊祖強,王文,李化敏.遠(yuǎn)程保護(hù)層開采上覆煤巖層移動規(guī)律[J].中國煤炭,2009(7)

[8] 武光輝.利用高位鉆孔抽放技術(shù)治理綜采工作面上隅角瓦斯積聚[J].煤礦開采,2009(2)

[9] 楊宏偉,姜福興,尹永明.基于微地震監(jiān)測技術(shù)的頂板高位鉆孔優(yōu)化技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報,2011(9)

[10] 李同意,彭擔(dān)任,張仁貴.高位鉆孔瓦斯抽放在回采工作面的應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2008(4)

[11] 丁厚成,章俊龍.高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)在張集礦的應(yīng)用[J].煤炭工程,2011(12)

(責(zé)任編輯 張艷華)

晉煤集團(tuán)破冰資本市場邁入“新三板”

4月20日10點50分,昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司在全國中小企業(yè)股份轉(zhuǎn)讓系統(tǒng)(俗稱“新三板”)敲響開市寶鐘,標(biāo)志著晉煤集團(tuán)成功破冰資本市場,加快資本化發(fā)展取得重要成果。

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晉煤集團(tuán)董事長、黨委書記賀天才,副總經(jīng)理閆振東,總會計師鄭紹祖與山西省國資委產(chǎn)權(quán)處處長侯國偉,昆山市張浦鎮(zhèn)人民政府副鎮(zhèn)長秦微晰,山西證券股份有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、董事會秘書王怡里等領(lǐng)導(dǎo)出席儀式。

昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司是晉煤集團(tuán)金鼎公司控股的一家中外合資企業(yè)。公司成立于2006年,位于江蘇昆山德國工業(yè)園區(qū),是一家以研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、維修礦用井下防爆無軌膠輪車為主的國家級高新技術(shù)企業(yè)。該公司從2014年6月5日正式啟動上市項目以來,經(jīng)過7個多月的時間,于2015年1月19日被全國股轉(zhuǎn)系統(tǒng)正式批準(zhǔn)“晉樺豹”股票在股轉(zhuǎn)系統(tǒng)掛牌,并于4月20日舉行掛牌儀式。

Gas control technology for high-level boreholes along with coal seam roof during protective layer mining of adjacent coal seam group

Cheng Zhiheng1,2,3,Xu Xiangqian4,You Shunwu5,Liu Xiaogang1,3
(1．Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2．Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources, Chaoyang,Beijing 100013,China; 4．Chengzhuang Mine,Jincheng Anthracite Mining Group Co．,Ltd．,Jincheng,Shanxi 048006,China; 5．Xieqiao Mine,Huainan Mining Industry Group,Huainan,Anhui 232001,China)

In order to enhance the gas control level at 1242(1)working face of Xieqiao Mine, the laboratorial analog simulation was adopted to analyze the fissure-development law of overlying stratum at 1242(1)during mining,to determine the distribution of caving zone and fissure zone of overlying stratum of 11－2 coal seam,to obtain the optimum distance of boreholes,and to provide the design reference of high-level boreholes along with coal seam roof．The site survey shows that the average gas drained concentration is up to 31．1%and the average gas flow is 14．85 m3/min,implying the satisfactory gas drainage effect to guarantee the safe and efficient production at the working face．

high-level boreholes,analog simulation,overlying stratum,distance of boreholes,gas-drainage effect

TD712.6

A

程志恒(1988－),男,煤炭科學(xué)研究總院與中國礦業(yè)大學(xué)(北京)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生,主要從事礦山壓力、采動煤巖體裂隙演化規(guī)律和煤層氣抽采技術(shù)理論方面的研究工作。