高位鉆場走向長鉆孔抽采裂隙帶瓦斯技術(shù)

徐再剛

(貴州盤江精煤股份有限公司)

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高位鉆場走向長鉆孔抽采裂隙帶瓦斯技術(shù)

徐再剛

(貴州盤江精煤股份有限公司)

摘要12#煤層是某區(qū)段內(nèi)的首采層，經(jīng)預(yù)測回采期間的瓦斯涌出量為46.2 m3/min，為解決回采過程中采空區(qū)瓦斯向采面上隅角涌出的問題，施工高位鉆場抽采采空區(qū)裂隙帶富集區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯，并通過束管觀測瓦斯?jié)舛?，結(jié)果顯示，裂隙帶瓦斯富集區(qū)高度是煤層采高的8.7倍，平距發(fā)育距離為14 m，并呈斜梯形；主管抽采濃度最高達(dá)到45%，濃度長期保持在30%左右，有效解決了裂隙帶瓦斯向上隅角涌出問題。

關(guān)鍵詞高位鉆場走向鉆孔單孔濃度瓦斯抽采裂隙帶

對于突出礦井和高瓦斯煤層而言，瓦斯抽采是防治突出和治理瓦斯的根本措施[1]。高位鉆場瓦斯抽采實(shí)際是通過在高位鉆場內(nèi)向采空區(qū)施工走向長鉆孔抽采裂隙帶積聚的大量高濃度瓦斯[2]，從而減少采空區(qū)的瓦斯向上隅角涌出。劉澤功通過對首采煤層瓦斯源分析，采用實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算和工業(yè)性試驗(yàn)研究方法，尋找采場上覆巖層中環(huán)形裂隙圈形成機(jī)理和位置，并在環(huán)形裂隙圈內(nèi)施工鉆孔抽采瓦斯，解決了上隅角瓦斯涌出問題[3]。候守道根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，對鉆孔個(gè)數(shù)及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，成功解決了上隅角瓦斯涌出問題[4]。李霄尖根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，模擬出采空區(qū)裂隙帶O型圈位置，并在此布置高位鉆孔抽采瓦斯，有效提高抽放量[5]。張景飛以平頂山礦區(qū)為研究對象，運(yùn)用高位鉆場抽采采空區(qū)卸壓瓦斯，分析抽采數(shù)據(jù)，對抽采鉆孔進(jìn)行量化，解決了上隅角瓦斯涌出問題[6]。根據(jù)貴州盤江礦區(qū)土城礦復(fù)雜地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場考察、數(shù)據(jù)分析及總結(jié)，得出高位鉆孔的終孔點(diǎn)距煤層頂板的垂距和距回風(fēng)巷的平距，采用高位鉆場走向長鉆孔技術(shù)，進(jìn)而解決采空區(qū)瓦斯向上隅角涌出的問題。

1工作面概況

土城礦13122采煤工作面位于13采區(qū)一水平井筒東翼，東至13122切眼，西至13120外上山，井下標(biāo)高為1 643～1 698 m，高差為45 m。該工作面首采12#煤層，平均厚3.1 m，平均傾角為13°。12#煤層老頂為18～22 m厚細(xì)砂巖，致密堅(jiān)硬，棱角狀斷口，斷面粗糙；直接頂為0.35 m厚粉砂巖，深灰色、薄層狀，致密堅(jiān)硬；偽頂為0.03 m厚炭質(zhì)泥巖；偽底為0.3～1.3 m厚的泥巖，灰色，團(tuán)塊狀，質(zhì)軟，頁理發(fā)育；直接底為1.3～3.1 m厚粉砂巖，薄層狀，松軟，局部過渡為泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖；老底為2.7 m厚細(xì)砂巖，灰色，中厚層狀，粗糙，堅(jiān)硬，含鈣質(zhì)，稍含灰色礦物，泥質(zhì)膠結(jié)。

13122采面下部13124采面已開采，上覆9#、下覆13#煤層均未開采，距9#煤層42 m，距13#煤層14 m，經(jīng)預(yù)測該工作面回采期間瓦斯涌出量為46.2 m3/min。工作面采用走向長壁后退式開采方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板，全負(fù)壓U型上行通風(fēng)。

2裂隙帶高度的確定

煤層開采后，上覆巖層發(fā)生破壞和位移，經(jīng)長期的現(xiàn)場觀測證實(shí)：覆巖破壞和位移具有明顯的分帶性，其特征與地質(zhì)、開采等條件有關(guān)[7]。采用長壁全部冒落法開采緩傾斜煤層，當(dāng)采深達(dá)到一定深度(100 m左右)，覆巖的破壞和移動出現(xiàn)3個(gè)具有代表性的部分，自下而上分別稱為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

根據(jù)13122采煤工作面頂板巖性的概況，結(jié)合表1中裂隙帶的計(jì)算公式，取α=13°,M=3.1 m，計(jì)算得出煤層開采后上覆巖層裂隙帶的最大高度為(23.8±3) m。

3走向長鉆孔設(shè)計(jì)

3.1高位鉆場布置及鉆孔設(shè)計(jì)

13122采面形成后，向回風(fēng)巷待采煤體側(cè)，沿煤層頂板巖石掘一條傾角40°的斜巷。斜巷進(jìn)入距煤層頂板垂高20 m時(shí)，在斜巷末端走向設(shè)鉆場平臺，鉆場平臺規(guī)格為5 m×3 m×2.5 m，待鉆場平臺施工結(jié)束后，采用2000型鉆機(jī)，配備φ113 mm鉆頭，向切眼方向施工鉆孔。根據(jù)理論分析裂隙帶的高度可知，鉆孔終孔點(diǎn)距12#煤層頂板垂高為24，27 m，鉆孔施工參數(shù)見表2。

表1　裂隙帶最大高度計(jì)算公式

注:ΣM為累計(jì)采厚；±為誤差；n為分層數(shù)

3.2封孔及觀測方式

鉆孔全部施工完成后，采用長3 m的4寸鐵管插入鉆孔，并用棉紗加瑪麗散封堵鐵管與孔壁周圍空隙；利用4寸埋絲管將鐵管連接分流器，通過分流器連接14寸主管至地面永久瓦斯泵房進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，在抽采過程中使用束管觀測法對單孔瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行考察。

表2　鉆孔施工參數(shù)

4抽采效果分析

13122工作面11月5日開始試采，每個(gè)圓班正?；夭? m，本次鉆孔觀測日期為11月18日—12月17日，共30 d，采面回采推進(jìn)95 m左右。在考察期間，觀測有效孔為10個(gè)，由于11#、12#孔內(nèi)積水大，導(dǎo)致束管內(nèi)積水，后期無法觀測。1#～10#鉆孔單孔回采過程中瓦斯?jié)舛茸兓c煤層頂板垂高的關(guān)系見圖1。

圖1　鉆孔瓦斯?jié)舛扰c煤層頂板垂距關(guān)系

從圖1可以看出，束管中瓦斯?jié)舛仁请S鉆孔距煤層頂板的高度變化而變化的，采面向前推進(jìn)過程中，上覆巖層縱向裂隙向上發(fā)育，回采前期，由于采面推進(jìn)長度短，覆巖縱向裂隙發(fā)育不到鉆孔施工高度，導(dǎo)致前期鉆孔瓦斯抽采濃度低，甚至抽不出瓦斯；隨著采面不斷向前推進(jìn)，頂板大范圍垮落，縱向裂隙進(jìn)一步向上發(fā)育，瓦斯?jié)舛纫搽S之慢慢提升；當(dāng)裂隙發(fā)育到鉆孔布置區(qū)內(nèi)，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸罡?。?dāng)鉆孔位置低于裂隙發(fā)育縱高時(shí)，抽采濃度開始下降。根據(jù)分析可以得出，在平距上回風(fēng)巷往待采煤體側(cè)14 m位置，裂隙帶發(fā)育達(dá)到了23 m；平距在38 m位置時(shí)，裂隙發(fā)育為26 m；平距為49 m時(shí)，裂隙帶高度為27 m左右。隨著采面推進(jìn)，呈弧形的鉆孔布置方式也開始不斷收斂，平距范圍也往回風(fēng)巷靠近，導(dǎo)致推進(jìn)一定長度后，鉆孔離開了裂隙帶瓦斯富集區(qū)內(nèi)，致使鉆孔瓦斯?jié)舛冉档汀＝Y(jié)合煤層采高，本次考察12#煤層在受13°傾角的影響下，裂隙帶瓦斯富集區(qū)是煤層采高的8.7倍，平距發(fā)育距離為14 m，并呈斜梯形。

圖2為主管瓦斯?jié)舛茸兓€。高位鉆場抽采期間主管混合流量一直保持在67m3/min左右，頂板裂隙瓦斯得到有效抽采，主管抽采濃度最高達(dá)到45%，濃度長期保持在30%左右，抽采純量約為20.1 m3/min，大大提高了抽采效率，保證了采面在回采期間上隅角及回風(fēng)瓦斯降低至安全值以下。

5結(jié)論

(1)根據(jù)理論分析，結(jié)合試驗(yàn)工作面的實(shí)際情況，計(jì)算得出煤層開采后上覆巖層裂隙帶的最大高度為(23.8±3) m。

圖2　主管瓦斯?jié)舛茸兓€

(2)通過開采12#煤層，在13°傾角的影響下，裂隙帶瓦斯富集區(qū)高度是煤層采高的8.7倍，平距發(fā)育距離為14 m，并呈斜梯形形態(tài)。

(3)高位鉆場施工走向長鉆孔預(yù)抽煤層頂板裂隙瓦斯，大大提高了抽采效率，保證采面在回采期間上隅角及回風(fēng)瓦斯降低至安全值以下，加快了采面推進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)了安全、高產(chǎn)、高效。

參考文獻(xiàn)

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

[2]錢鳴高,繆協(xié)興,許家林,等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[3]劉澤功,袁亮,戴廣龍,等.開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究[J].中國工程科學(xué)，2004,6(5):32-38.

[4]候守道.高位鉆場頂板走向鉆孔抽放瓦斯技術(shù)在新集二礦的應(yīng)用[J].煤礦安全，2006,37(4):20-22.

[5]李霄尖,姚精明,何富連,等.高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)理論與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007,35(4):16-21.

[6]張景飛,郭德勇,丁開舟.高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用的研究[J].煤礦安全，2004,35(7):5-7.

[7]魏磊.下保護(hù)層開采覆巖結(jié)構(gòu)演化及卸壓瓦斯抽放技術(shù)研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2007.

(收稿日期2016-01-25)

徐再剛(1968—)，男，總工程師，高級工程師，553529 貴州省貴陽市。