煤層瓦斯鉆孔卸壓抽采試驗(yàn)對比分析研究

鄭明亮，許克南，陳慧慧，孫 濤

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

當(dāng)前，煤與瓦斯突出問題一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。不同的煤層中的煤質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致瓦斯在煤層中的賦存量和形態(tài)的不同以及瓦斯運(yùn)行規(guī)律的差異。不同區(qū)域的煤層走向的差異導(dǎo)致其不同區(qū)域的應(yīng)力集中不同，進(jìn)而所采取的瓦斯卸壓鉆孔卸壓方式也有所區(qū)別。

在瓦斯突出方面主要是通過試驗(yàn)研究、試驗(yàn)?zāi)M以及現(xiàn)場研究。對于試驗(yàn)?zāi)M研究主要采用頂板高抽巷結(jié)合穿層鉆孔瓦斯抽放、網(wǎng)格式上向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采、頂板走向高抽巷瓦斯抽采等方法，對瓦斯壓力以及煤層瓦斯含量能夠起到很大的降低效果，基于不同的煤層條件采取不同的瓦斯防突措施，因地制宜對各個(gè)工作面的煤層進(jìn)行鉆孔卸壓抽采，才能確保礦井保護(hù)層瓦斯突出得以控制。

1 試驗(yàn)工作面的基本狀況

1.1 5111工作面基本狀況

在謝一礦5111工作面中，以C15煤層為保護(hù)層，其走向長度為650m，斜長為180m，煤層傾斜角度平均為21°，煤層厚度平均為1.1m。此工作面中C13煤層為被保護(hù)層，C15煤層對應(yīng)于C13煤層保護(hù)區(qū)域的上下高度在-666.6～-718m之間，-666m處和-718m處對應(yīng)瓦斯壓力分別為4.2MPa和4.9MPa，平均瓦斯壓力為4.5MPa，煤層平均瓦斯含量為16.2m3/t。被保護(hù)層的平均瓦斯壓力為3.4MPa。

1.2 2121(3)工作面基本狀況

在謝一礦2121(3)工作面中，13號煤層為被保護(hù)煤層，走向方向的長度為1680m，傾斜長為160m，煤層的平均傾斜角度為9°，平均厚度為6.0m。此工作面煤層瓦斯賦存相對穩(wěn)定，巖層構(gòu)造簡單，適合綜合機(jī)械化放頂煤采煤。在卸壓范圍內(nèi)工作面設(shè)計(jì)平均月產(chǎn)為93477t，平均月進(jìn)度為84.15m。

1.3 5123工作面基本狀況

上部被保護(hù)層工作面為B11煤層的5123工作面，與保護(hù)層工作面層間距70m，工作面標(biāo)高在-660～-774.3m之間。下被保護(hù)層B8煤層和保護(hù)層B6煤層相距96m。工作面走向長560m，傾向長148m，煤層厚度平均5.0m，煤層傾角為23°，走向被保護(hù)區(qū)長為560-80=480(m)，傾向被保護(hù)區(qū)長為148-40=108(m)。

2 抽放鉆孔布置設(shè)計(jì)

2.1 5111工作面抽采瓦斯鉆孔布置

對于C13煤層采取的是底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔瓦斯抽放來實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯卸壓抽采，具體實(shí)施方式：在工作面傾斜方向的中部，在距離C13煤層底板20m處的巖層中設(shè)置1條走向方向的底板瓦斯抽放巷，之后順著抽放巷每間隔20m布置1個(gè)抽放鉆場，同時(shí)在每個(gè)鉆場中沿煤層傾斜方向每隔20m設(shè)置1個(gè)鉆孔，在每個(gè)鉆場中設(shè)置8個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔直徑為91mm，且鉆孔深入到C13煤層中頂板以上1m，鉆孔的封孔長度為8m，且鉆孔口處的負(fù)壓低于20kPa。鉆孔布置如圖1所示，瓦斯抽采效果如圖2所示。

圖1 5111工作面鉆孔布置

圖2 C13煤層瓦斯涌出量

2.2 2121(3)工作面抽瓦斯鉆孔布置

圖3為2121(3)工作面鉆孔布置圖，1個(gè)鉆場布置16個(gè)瓦斯抽放鉆孔，相鄰鉆孔之間的間距為10m。鉆場的上部是鉆孔開孔的地方，鉆孔的底端為13號煤層中的0.5m處。鉆場間隔為28m，呈現(xiàn)水平布置，同時(shí)與底板巖巷呈現(xiàn)垂直分布，每個(gè)鉆場的長度為5m，斷面為8m2，基本能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機(jī)的施工要求。每個(gè)鉆孔直徑為100mm，封孔長度9m，孔口抽放負(fù)壓低于20kPa。瓦斯卸壓抽采效果如圖4所示。

圖3 2121(3)工作面鉆孔布置

圖4 13號煤層瓦斯涌出量

2.3 5123工作面瓦斯卸壓抽放設(shè)計(jì)

圖5為5123工作面鉆孔布置，共有4個(gè)瓦斯壓力測定鉆孔，1號鉆孔位于卸壓區(qū)域內(nèi)，與卸壓邊界相距10m；2號鉆孔的終孔落在卸壓邊界線上；3號鉆孔位于未卸壓區(qū)域內(nèi)，和卸壓邊界線相距10m。在進(jìn)行對保護(hù)層卸壓設(shè)計(jì)的過程中，對卸壓走向設(shè)計(jì)為60°。設(shè)計(jì)鉆孔時(shí)應(yīng)考慮地面鉆井布置在距回風(fēng)巷30～40m；地面鉆井間距不大于300m；地面鉆井穿過煤層段槽管直徑不小于180mm；地面鉆井終孔距保護(hù)層頂板間距5m；地面鉆井應(yīng)具有完備的套管加固措施?？疾煦@孔開孔位置在未卸壓區(qū)的底板抽放巷道中，瓦斯抽放密閉外側(cè)，1號、2號考察孔應(yīng)避開其他煤層開采的影響范圍，同時(shí)布置了4號和5號2個(gè)測壓孔，將-720mB10底板巖巷作為瓦斯抽放巷。由于存在上下保護(hù)層同時(shí)卸壓，下保護(hù)層卸壓也是同樣的方式。6號、7號、8號為瓦斯卸壓鉆孔，9號、10號為瓦斯壓力測定鉆孔，同時(shí)將-780mB6作為瓦斯抽放巷。B11煤層瓦斯卸壓之后的涌出量如圖6所示。

圖5 5123工作面鉆孔布置

圖6 B11煤層瓦斯涌出量

3 工作面瓦斯抽采卸壓對比分析

上述3個(gè)工作面通過合理的鉆孔布置方式，最終瓦斯卸壓抽采效果都比較理想。3個(gè)工作面中的煤層傾角、層間距、煤層的透氣性存在一定的差異，且是否存在彎曲下沉帶等因素，需綜合考慮，找到適合于各個(gè)工作面的瓦斯卸壓抽放方法。

3.1 C13煤層瓦斯卸壓抽采分析

對C13煤層進(jìn)行瓦斯抽采卸壓過程中，采用的是遠(yuǎn)距離下保護(hù)層回采的方式，因此在C13煤層底板的15～25m的巖層中會產(chǎn)生一定的變形，原因在于C15保護(hù)煤層和C13被保護(hù)煤層之間的距離為20m，是層間距的17倍。當(dāng)C13煤層產(chǎn)生一定膨脹變形后，此時(shí)煤層透氣性逐漸增加，在煤層中進(jìn)行網(wǎng)格式鉆孔(網(wǎng)格式鉆孔間距30m×30m)，抽出卸壓瓦斯便能夠?qū)崿F(xiàn)對煤層的消突。由于在C13煤層中的緩傾斜煤層部分和傾斜煤層部分的間距小于40m，同時(shí)急傾斜煤層之間的距離小于50m，故采用底板巷道網(wǎng)格式上向穿層鉆孔抽采瓦斯的方式。

3.2 13號煤層瓦斯抽采分析

2121(3)工作面中，13號煤層為被保護(hù)煤層距離下部的保護(hù)層70m，當(dāng)經(jīng)過對保護(hù)層回采之后，巖層發(fā)生一定的移動(dòng)變形，由于13號煤層相對于下保護(hù)層較遠(yuǎn)，巖層在發(fā)生移動(dòng)時(shí)總是整體下沉，因此被保護(hù)層13號煤層位于彎曲下沉帶中。當(dāng)被保護(hù)層發(fā)生膨脹變形時(shí)，煤層的透氣性逐漸地增加，瓦斯開始解吸。煤巖體總是表現(xiàn)整體下沉特性，因而在煤巖體的內(nèi)部產(chǎn)生一些豎向的裂隙，促進(jìn)了瓦斯在煤層中的流動(dòng)，故而對于此類情形只能采取上被保護(hù)層底板巷道網(wǎng)格式上向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采的方式，而在使用此方法的時(shí)候應(yīng)當(dāng)對遠(yuǎn)距離下保護(hù)層開采過程中的被保護(hù)層瓦斯抽采情況進(jìn)行考慮，同時(shí)考慮對緩傾斜和傾斜煤層相對層間距25～40倍的區(qū)域，而急傾斜煤層層間距要小于70m。

3.3 B8，B11煤層瓦斯卸壓分析

對保護(hù)層進(jìn)行開采之后，位于保護(hù)層的上、下煤層B11和B8煤層表現(xiàn)出膨脹變形，煤層的透氣性提高。采取合適的鉆孔抽采方式能夠起到對上、下保護(hù)層瓦斯進(jìn)行抽采，解決煤層突出問題。對于此類具有上下保護(hù)層的工作面，應(yīng)當(dāng)采取保護(hù)層開采上、下被保護(hù)層的抽采方法，也就是把單獨(dú)的上被保護(hù)層和下被保護(hù)層抽采瓦斯方法結(jié)合在一起，同時(shí)基于底板巷道網(wǎng)格式上向穿層鉆孔抽采模式。

3.4 綜合對比分析

通過對上述3個(gè)工作面煤層瓦斯卸壓情況進(jìn)行闡述，可以看出對于不同煤層之間所使用的瓦斯卸壓抽采方式存在一定的區(qū)別。對于5111工作面，目標(biāo)是對上保護(hù)層C15煤層開采以及對被保護(hù)層C13煤層進(jìn)行瓦斯抽采，而且煤層傾角較小，C15和C13煤層之間相距小于40m，和2121(3)工作面相比較，13-1煤層和13號煤層間距為70m，大于40m，而且緩傾斜和傾斜煤層相對于層間距表現(xiàn)較為明顯，因此這兩種工況不同點(diǎn)就在于一個(gè)是對上保護(hù)層瓦斯進(jìn)行鉆孔卸壓抽采，一個(gè)是對下保護(hù)層進(jìn)行瓦斯鉆孔卸壓抽采，都采取網(wǎng)格式布孔抽采，但是鉆孔的間距上保護(hù)層瓦斯卸壓抽采要比下保護(hù)層瓦斯卸壓抽采小一點(diǎn)，鉆孔直徑、封孔長度、底板保護(hù)范圍、孔口的抽放負(fù)壓等參數(shù)相同。在5123工作面中，當(dāng)保護(hù)層開采完后，保護(hù)層的上下煤層會發(fā)生一定的膨脹變形，煤層透氣性增加，故采用上下保護(hù)層一同卸壓的方式，鉆孔卸壓是結(jié)合了上保護(hù)層網(wǎng)格式卸壓鉆孔和下保護(hù)層網(wǎng)格式卸壓鉆孔進(jìn)行抽采，因此該保護(hù)層的瓦斯鉆孔卸壓方式是綜合了兩個(gè)工作面的瓦斯卸壓方式。

4 結(jié) 論

通過對不同工作面的實(shí)際工況條件、卸壓瓦斯抽采效果以及瓦斯卸壓鉆孔方式的分析，可知根據(jù)各個(gè)煤層膨脹變形情況、煤層內(nèi)部裂隙發(fā)育情況、以及煤層透氣性等因素配以合適的瓦斯抽采技術(shù)，可以抽采卸壓瓦斯，降低被保護(hù)層的瓦斯含量，消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性。同時(shí)為了驗(yàn)證保護(hù)層已經(jīng)得到消突，應(yīng)當(dāng)基于對鉆孔布置均勻度、煤層殘余瓦斯壓力、殘余瓦斯含量以及瓦斯的抽采率等來表明該保護(hù)層已經(jīng)消突。

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