厚煤層開采卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究

關(guān)瑞斌

摘 要：針對(duì)3603工作面開采的3號(hào)煤層厚度大、瓦斯涌出量高、采面瓦斯容易超限等問題，本文采用理論分析方法分析確定了覆巖冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度及最佳瓦斯抽采區(qū)域，提出采用低、中、高三種抽采鉆孔對(duì)裂隙瓦斯進(jìn)行抽采，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。結(jié)果表明，3603綜放工作面開采后最佳瓦斯抽放區(qū)域?yàn)轫敯迳细?5～55 m，采用低、中、高抽采鉆孔抽采裂隙瓦斯后，采面上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档椭?.6%、0.5%以內(nèi)，確保了厚煤層綜放開采工作面生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：綜放開采;覆巖裂隙;高位鉆孔;冒落帶

中圖分類號(hào)：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0098-03

Abstract： In view of the problems such as large thickness of No.3 Coal Seam in 3603 working face， high gas emission and easy overrun of gas in mining face， the development height of overburden caving zone and fracture zone and the best gas drainage area were analyzed and determined by theoretical analysis method， and three kinds of drainage boreholes， namely low， medium and high， were proposed to extract fracture gas， and field application was carried out in this paper. The results show that the best gas drainage area after mining in 3603 fully mechanized caving face is 35～55 m overlying the roof. After low， medium and high drainage boreholes are used to extract the fractured gas， the corner of the mining face and the return air lane gas The concentration was reduced to within 0.6% and 0.5%， which ensured the production safety of fully mechanized caving mining face in thick coal seams and achieved remarkable application results.

Keywords： fully mechanized caving;overburden cracks;high-level drilling;caving zone

煤炭開采受到瓦斯、水、地質(zhì)構(gòu)造等諸多不利因素制約，給礦井生產(chǎn)帶來諸多影響[1]。特別是厚煤層采用綜放開采時(shí)，由于一次開采厚度大采空區(qū)內(nèi)遺煤多，在回采過程中，瓦斯涌出量大，時(shí)常造成上隅角瓦斯超限，制約礦井生產(chǎn)安全[2-4]。采空區(qū)瓦斯涌出是厚煤層綜放開采工作面瓦斯涌出的主要來源之一，高位裂隙瓦斯抽采是采空區(qū)瓦斯治理的常用手段，眾多研究學(xué)者對(duì)高位卸壓瓦斯抽采進(jìn)行研究。其中，姚曉旭等[5]對(duì)被保護(hù)層卸壓瓦斯進(jìn)行治理，并分析了覆巖裂隙演化及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，為瓦斯治理方案的制訂提供一定的參考;劉超等[6]采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)煤層開采后的上覆巖層裂隙進(jìn)行識(shí)別，為高位裂隙抽采鉆孔布置提供一定借鑒。本文以山西某礦3605綜采工作面為工程背景，對(duì)厚煤層開采后引起的上覆裂隙分布情況進(jìn)行分析，并具體設(shè)計(jì)高位裂隙瓦斯抽采鉆孔，有效治理了采空區(qū)瓦斯涌出，應(yīng)用效果顯著。

1 工程概況

某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為600萬t/a，現(xiàn)階段開采的3號(hào)煤層，埋深平均為350 m，瓦斯含量介于4.6～5.8 m3/t，煤層厚度平均為4.2～20.m（平均12 m），為近水平煤層。3603采面采用綜放開采方式，采用全部垮落法管理頂頂板，采放比為1∶1.02，采用U型通風(fēng)方式，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，基本頂為粉砂巖，具體頂?shù)装鍘r性如表1所示。

雖然3號(hào)煤層原始瓦斯含量不高，且進(jìn)行了采前預(yù)抽，但是由于煤層透氣性差、松軟，預(yù)抽后的煤層內(nèi)殘余瓦斯含量較高，預(yù)計(jì)3603采面開采期間瓦斯涌出量可達(dá)24.9 m3/min，上隅角瓦斯處于臨界狀態(tài)，因此有必要根據(jù)采面情況制定合理的高位卸壓瓦斯抽采鉆孔。

2 厚煤層開采后覆巖裂隙發(fā)育情況

煤層開采后覆巖發(fā)育與巖性、煤層開采方式等有密切關(guān)聯(lián)。煤層開采后覆巖垮落下沉，形成的穿層裂隙、離層裂隙相互交錯(cuò)，最終形成一個(gè)類似于帽形的裂隙發(fā)育帶，具體如圖1所示[7]。

根據(jù)3603綜采工作面煤巖特征，并依據(jù)式（1）～（2），計(jì)算得出冒落帶、裂隙帶高度分別為27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。

3603采面開采后裂隙帶發(fā)育高度達(dá)到110 m，在裂隙帶上覆裂隙滲透性顯著降低，同時(shí)由于瓦斯重量較空氣輕，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會(huì)沿著冒落裂隙向上擴(kuò)展。根據(jù)相關(guān)研究學(xué)者采用數(shù)值模擬、相似模擬研究成果[8-9]，并結(jié)合工程類比法，判定3603綜放工作面頂板上覆35～55 m范圍為瓦斯抽采有利區(qū)域。

3 高位裂隙鉆孔設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔布置方案

由于3號(hào)煤層開采后的裂隙帶發(fā)育高度平均達(dá)到112 m，為了對(duì)卸壓上覆裂隙瓦斯進(jìn)行有效抽放，降低采空區(qū)瓦斯涌出量，提出采用低、中、高三種裂隙瓦斯抽放鉆孔相結(jié)合方式對(duì)上覆裂隙瓦斯進(jìn)行抽放。在3603回風(fēng)巷內(nèi)每隔80 m布置一個(gè)瓦斯抽放鉆場(chǎng)，并向采空區(qū)方向施工抽采鉆孔，具體情況如圖2所示。

在回風(fēng)巷內(nèi)布置的鉆場(chǎng)寬、深、高依次為4、4、3m，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)分3排布置12個(gè)鉆孔，低、中、高鉆孔距離煤層頂板間距依次為35、45、55m，每一種鉆孔布置4個(gè)，具體高位瓦斯抽采鉆孔參數(shù)如表2所示。

3.2 瓦斯抽采效果

在3603綜放工作面頂板上覆35～55 m范圍內(nèi)布置高位瓦斯抽采鉆孔，用以對(duì)裂隙瓦斯進(jìn)行抽放，具體瓦斯抽采鉆孔抽采情況如表3所示。

從2019年6月中旬高位瓦斯抽采鉆孔陸續(xù)接抽，通過布置高位瓦斯抽采鉆孔，3603綜放工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛蕊@著降低，具體采面回風(fēng)巷及上隅角監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表3所示。從圖3可知，采面回風(fēng)上隅角位置處瓦斯?jié)舛仁冀K在0.6%以內(nèi)，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛仁冀K在0.5%以內(nèi)，采面內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?.4%以內(nèi)，風(fēng)排瓦斯量降低至7.5 m3/min，回采工作面內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛染凇睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定范圍內(nèi)，通過布置高位瓦斯抽采鉆孔，解決了采面瓦斯超限問題，確保了回采工作面生產(chǎn)安全。

4 結(jié)語

采用理論計(jì)算法對(duì)3603綜放工作面開采后的頂板的冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行計(jì)算，具體得到的冒落帶、裂隙帶高度分別為27～36 m（平均31.5 m）、83～141 m（平均112 m）。在對(duì)采面采動(dòng)裂隙透氣性分布規(guī)律及瓦斯上覆擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定在距離煤層頂板35～55 m范圍內(nèi)最為有利于裂隙瓦斯抽放。

根據(jù)對(duì)3603綜放工作面采空區(qū)覆巖裂隙瓦斯抽采有利區(qū)域的分析結(jié)果，以及礦井3號(hào)煤層開采厚度大、裂隙帶發(fā)育高度高等特點(diǎn)，提出采用低、中、高瓦斯抽放鉆孔相結(jié)合瓦斯鉆孔抽采布置方案，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。結(jié)果表明，采面上隅角瓦斯?jié)舛染?.6%以內(nèi)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档椭?.5%以內(nèi)，采面內(nèi)個(gè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛染鶟M足《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得顯著效果。

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