綜放工作面高位裂隙帶鉆孔瓦斯抽放技術(shù)研究

朱 震

(河南能源化工集團(tuán)義煤公司耿村煤礦，河南 義馬 472300)

引 言

綜放工作面頂煤移動(dòng)過(guò)程中易出現(xiàn)采空區(qū)丟煤和遺煤現(xiàn)象，致使瓦斯聚集在支架上方和采空區(qū)上部。由于采空區(qū)空氣密度在鉛垂方向的不均勻性和瓦斯密度較空氣低的特性，在浮力的作用下，采空區(qū)聚集的瓦斯沿采動(dòng)裂隙帶的裂隙通道上升，上升過(guò)程中不斷摻入周圍氣體，使混合氣體與周圍環(huán)境氣體的密度差逐漸減小，直到密度差達(dá)到零為止，瓦斯混合氣體便會(huì)聚集在裂隙帶中的巖體裂隙中。因此，研究垮落帶和裂隙帶的高度、裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律及頂板裂隙帶瓦斯抽放，對(duì)有效治理綜放面瓦斯問(wèn)題具有十分重要的意義。

1 垮落帶和裂隙帶高度的確定

本文以耿村煤礦12150綜放工作面為例，根據(jù)工作面圍巖地質(zhì)條件，利用UDEC數(shù)值計(jì)算模擬綜放面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律，模擬中煤層厚度取12150工作面平均煤厚8.5 m，開采后上方垮落帶和裂隙帶特征如圖1所示。

圖1 綜放面上方“三帶”數(shù)值模擬結(jié)果

12150綜放面煤層厚度3.93 m～13.22 m，平均厚度為8.5 m。根據(jù)耿村煤系地層為中硬巖層的特點(diǎn)，可以計(jì)算出12150綜放面垮落帶和裂隙帶高度。

垮落帶高度計(jì)算公式見式(1)。

=14.4(±2.2)(m)

(1)

裂隙帶高度計(jì)算公式見式(2)。

=33.7(±5.6)(m)

(2)

由此可見，12150綜放面頂板垮落帶和裂隙帶高度分別為14.4(±2.2)m和33.7(±5.6)m。

2 裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律

為研究耿村煤礦綜放開采過(guò)程中上覆巖層裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律，對(duì)12150綜放工作面瓦斯抽放鉆場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。鉆場(chǎng)和鉆孔布置平剖面圖如第115頁(yè)圖2所示。

圖2 12150綜放面瓦斯抽放鉆場(chǎng)鉆孔布置示意圖

2019年6月至7月現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)內(nèi)容包括鉆場(chǎng)抽放管路內(nèi)瓦斯流量、濃度和負(fù)壓等，4個(gè)鉆孔按從外到里依次編號(hào)為1#、2#、3#和4#。第115頁(yè)圖3和圖4為鉆場(chǎng)內(nèi)4個(gè)鉆孔抽放管路瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)曲線，其中，瓦斯?jié)舛葹橛^測(cè)期間每天鉆孔抽放平均瓦斯?jié)舛取?/p>

從圖3和圖4可以看出，沿工作面傾向，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出一定的分布規(guī)律，越靠近工作面上隅角，瓦斯富集濃度越高。在觀測(cè)期間，1#、2#、3#、4#鉆孔最大瓦斯?jié)舛确謩e為34.2%、15.2%、10.3%、6.4%。從觀測(cè)結(jié)果分析可以初步得出，隨著工作面的推進(jìn)，受采動(dòng)影響，支架上方頂煤開始破碎，頂板開始產(chǎn)生豎向裂隙，瓦斯在浮力作用下向頂板裂隙運(yùn)移。同時(shí)，沿工作面傾向，瓦斯會(huì)有向上部運(yùn)移的趨勢(shì)，在運(yùn)移過(guò)程中，一部分瓦斯被風(fēng)流帶走，一部分逐步向上隅角聚集，最終造成上隅角頂板裂隙瓦斯?jié)舛容^高。

圖3 1#和2#鉆孔抽放瓦斯?jié)舛扰c觀測(cè)時(shí)間之間關(guān)系

圖4 3#和4#鉆孔抽放瓦斯?jié)舛扰c觀測(cè)時(shí)間之間關(guān)系

3 裂隙帶鉆孔抽放瓦斯合理參數(shù)

3.1 鉆孔高度的確定

根據(jù)采空區(qū)頂板巖層移動(dòng)“三帶”理論和采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，鉆孔高度也應(yīng)能保證抽放鉆孔均位于裂隙帶范圍內(nèi)，故應(yīng)滿足關(guān)系式：Hm

將垮落帶和裂隙帶高度計(jì)算式帶入上式，可得到鉆孔合理位置高度Hz：

3.2 鉆場(chǎng)間距的確定

根據(jù)綜放面上覆采動(dòng)裂隙“O”形圈理論，“O”形圈為采空區(qū)瓦斯流動(dòng)和貯存提供了通道和空間，是采空區(qū)瓦斯聚積的地方。如果長(zhǎng)時(shí)間、高效率地抽放采空區(qū)的卸壓瓦斯，需要將抽放瓦斯鉆孔打到“O”形圈內(nèi)。因此,鉆場(chǎng)的間距Lj為頂板周期來(lái)壓的整數(shù)倍見式(3)。

Lj=nL(n=1，2，…)

(3)

式中：Lj為鉆場(chǎng)的間距，m；L為頂板周期來(lái)壓步距，m。

礦壓觀測(cè)表明，12150綜放面采場(chǎng)中部周期來(lái)壓步距L為20 m，則高位鉆孔低位鉆場(chǎng)之間的合理距離Lj為20(n= 1，2，…)m。目前實(shí)際鉆場(chǎng)間距采用40 m。

3.3 鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)的確定

12150綜放面鉆場(chǎng)為矩形斷面，規(guī)格為深度5 m，寬度5 m，高度3 m。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)沿采面推進(jìn)方向反向布置4個(gè)高位鉆孔，孔口中心位置距鉆場(chǎng)底板1.5 m，間隔0.5 m，其中，第1#鉆孔孔口距鉆場(chǎng)里幫煤壁0.5 m，最外側(cè)一個(gè)鉆孔孔口距離回風(fēng)平巷下幫煤壁3 m。瓦斯抽放鉆場(chǎng)布置如圖5和圖6所示。

圖5 瓦斯抽放鉆場(chǎng)布置平面圖

圖6 瓦斯抽放鉆場(chǎng)布置剖面圖

鉆孔孔底與放頂煤工作面位置之間關(guān)系計(jì)算過(guò)程如下：

1)鉆孔孔底與回風(fēng)巷下幫水平距離[yi,計(jì)算公式見式(4)]

yi=Licosβsinθ+L0

(4)

式中：Li為鉆孔深度，m；β為鉆孔與水平面的夾角，仰角為正值、俯角為負(fù)值，(°)；θ為鉆孔與回風(fēng)平巷軸線的水平夾角，(°)；L0為鉆孔孔口與巷道下幫水平距離，m。

2)沿巷道軸線方向鉆孔孔底與孔口水平距離[xi，計(jì)算公式見式(5)]

xi=Licosβsinθ

(5)

3)鉆孔孔底到煤層底板高度Hi計(jì)算見式(6)

Hi=Lisinβ+Licosβsinθtanα+H0

(6)

式中：H0為鉆孔孔口距煤層底板的高度，m；α為煤層傾角，(°)；

鉆孔仰角(傾角)和鉆孔與巷道軸線夾角，主要根據(jù)工作面煤層厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證鉆孔終孔位置落在采空區(qū)的裂隙帶內(nèi)，以便鉆孔內(nèi)套管可以穩(wěn)定地抽出裂隙帶內(nèi)的高濃度瓦斯。每個(gè)鉆場(chǎng)的抽放鉆孔與前一個(gè)鉆場(chǎng)抽放鉆孔的搭接長(zhǎng)度不少于20 m。

4)鉆孔封孔

高位鉆孔直徑Φ95 mm。選用長(zhǎng)度6 m～8 m、直徑Φ85 mm鋼管作為封孔管，孔口用聚氨酯與毛巾布條密封固定。要求封孔長(zhǎng)度不少于6 m，封孔位置距孔口不少于5 m。孔口用膨脹水泥砂漿糊嚴(yán)，防止漏氣。鉆孔內(nèi)全長(zhǎng)下入直徑Φ75 mm鋼管為套管，套管上的吸氣花眼孔徑不小于Φ15 mm，并且套管必須下到孔底，套管最前端拍扁，最后端20 m不打花眼。

鉆孔封好后用彈簧管將鉆孔內(nèi)的套管與抽放主管路混合器連接好，每個(gè)鉆孔與混合器之間設(shè)流量計(jì)、測(cè)氣嘴、閘門等，抽放管路沿途設(shè)放水器及放碴器，以免煤層內(nèi)的水、碎煤等進(jìn)入抽放管。當(dāng)鉆孔與工作面采空區(qū)透氣后，打開支管閥門進(jìn)行抽放瓦斯。每個(gè)鉆孔支管設(shè)觀測(cè)孔以便進(jìn)行瓦斯和CO濃度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)失效的低濃度瓦斯抽放鉆孔和采空區(qū)自然發(fā)火征兆的鉆孔時(shí)及時(shí)進(jìn)行關(guān)閉。

4 瓦斯治理效果

1)抽放瓦斯量的計(jì)算

根據(jù)相鄰的12170工作面的抽放經(jīng)驗(yàn)，在12150工作面可采地段的布孔，取百米鉆孔抽放量為0.23 m3/min，取成孔率80%，結(jié)合鉆孔分布計(jì)算抽放流量如下：

回風(fēng)平巷：系統(tǒng)累計(jì)長(zhǎng)度1 700 m，封孔長(zhǎng)度為6 m，則抽放量Q1為：

= 3.2(m3/min)

鉆場(chǎng)接替期間，兩鉆場(chǎng)同時(shí)抽放，達(dá)到抽放高峰期。抽放系統(tǒng)共8個(gè)鉆孔，總有效孔長(zhǎng)1 700 m，抽放泵入口瓦斯?jié)舛劝?0%計(jì)算，則最大抽放混合流量為6.4 m3/min。

2)抽放率計(jì)算

系統(tǒng)最大抽放量的抽放率d計(jì)算見式(7)。

(7)

式中：d為工作面抽放率，%；Qc為工作面最大瓦斯抽放量，m3/min，取值4.1 m3/min；Qy為抽放期間工作面瓦斯涌出量，m3/min，取值4.5 m3/min。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得抽放系統(tǒng)最大抽放率d為47.67%。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)垮落帶和裂隙帶的確定，以及對(duì)裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律的分析，結(jié)合實(shí)際情況布置低位鉆場(chǎng)高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，工作面瓦斯得到了有效的治理，起到了較好的瓦斯治理效果，保證了工作面安全順利回采，回采期間未發(fā)生瓦斯事故，確保了礦井的安全生產(chǎn)。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，還需要根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整相關(guān)的技術(shù)參數(shù)及措施，確保瓦斯抽放效果達(dá)到預(yù)期目的。