近距離煤層群保護層開采頂板走向高位鉆孔瓦斯治理技術研究

程志恒許向前尤舜武劉曉剛

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區,100013; 2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,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,100013; 4.晉城煤業集團成莊礦,山西省晉城市,048006; 5.淮南礦業集團謝橋礦,安徽省淮南市,232001)

近距離煤層群保護層開采頂板走向高位鉆孔瓦斯治理技術研究

程志恒1,2,3許向前4尤舜武5劉曉剛1,3

(1.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院,北京市朝陽區,100013; 2.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,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,100013; 4.晉城煤業集團成莊礦,山西省晉城市,048006; 5.淮南礦業集團謝橋礦,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育規律,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的最佳范圍,為頂板走向高位鉆孔的設計提供參考依據。現場考察表明,頂板走向高位鉆孔的瓦斯抽采濃度平均達到31.1%,平均抽采量為14.85 m3/min,達到理想抽采效果,保證了綜采工作面安全高效生產。

高位鉆孔 相似模擬 上覆巖層 鉆孔法距 抽采效果

保護層開采的目的是使被保護煤層得到充分卸壓,釋放煤層中的彈性能,增大煤層透氣性能,以便于被保護煤層瓦斯解吸和流動,從而降低突出煤層瓦斯內能,宏觀表現為瓦斯壓力下降。而高位鉆孔瓦斯抽采是利用工作面開采后采空區上覆巖層移動和裂隙發育規律進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,在鉆孔的負壓作用下抽采頂板裂隙和采空區瓦斯。高位鉆孔瓦斯治理技術因其抽采流量大、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分布于瓦斯來源多且釋放充分的區域,煤層頂板在工作面回采過程中受采動影響,采空區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,因此,準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鍵。

1 工程概況

淮南礦業集團謝橋煤礦位于安徽省阜陽市潁上縣謝橋鎮境內,原設計生產能力400萬t/a,現生產能力超過800萬t/a、配套800萬t選煤廠,是特大型現代化礦井。礦井共劃分東一、東二、西一、西二4個采區,－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的主要問題。

1242(1)工作面屬于11－2煤層,位于西一采區西翼,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)工作面瓦斯來源進行調查分析,結果顯示約70%瓦斯來源于采空區,其中包括上覆的13－1煤層的卸壓瓦斯,因此對1242(1)綜采工作面采空區進行高位鉆孔抽采顯得十分必要。

2 相似模擬試驗及結果分析

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育規律,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的最佳范圍,為頂板走向高位鉆孔的設計提供參考依據。

2.1 模型的設計

根據現場地質條件和開采技術條件,結合實驗室實際情況,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料,選用云母粉做分層材料,改變骨料和膠結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 實驗模型及測點布置示意圖

在模型中分別布置5條應變測線,其中頂板3條,底板2條,共布置60個應變測點,觀測覆巖的變形規律。開采過程是由計算機控制的YJD－27靜動態電阻應變儀數控自動巡回監測系統采集應變信息,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為設在模型架左右兩側固定架上的控制點,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作為計算的起算數據。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 裂斷巖梁運動發展過程

隨著工作面的不斷推進,覆巖運動范圍逐漸擴大,采場上方的壓力拱由小到大逐漸向上方巖層擴展。從相似材料模擬試驗的過程看,當工作面推進距離大約為工作面長度的1/2.08倍時,壓力拱向上擴展到最高處,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個周期運動。當第一次運動階段結束時,破壞拱在工作面垂直方向上不再擴展,然后進入正常運動階段。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方向內錯。

(2)裂隙帶。在開切眼附近在覆巖中裂隙帶發育高度為38.5 m,相當于采高的14.26倍。在停采線附近覆巖中裂隙帶發育高度為34.5 m,相當于采高的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,形成導水和導氣通道。

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。

根據試驗結果,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計

3.1 高位鉆孔合理層位的選擇

高位鉆孔最佳的層位應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,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。

將參數代入式(1)和式(2),經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。理論計算結果與相似模擬試驗結果相差不大,相似模擬結果為鉆孔參數的設計提供了設計依據。

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鉆場,鉆場規格為8 m× 5 m×3 m(長×寬×高),鉆場間距165 m,共布置7個鉆場。

3.3 鉆孔施工基本參數設計

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,同時抽采本煤層工作面采空區瓦斯和被保護層的裂隙瓦斯,根據相似模擬試驗結果,鉆孔垂向高度設計在13.6～34.5 m,確保鉆場的鉆孔處于裂隙帶穩定狀態。

由于垮落帶的存在,每排鉆孔都有一定的有效抽采范圍,當巖石完全垮落后,其中鉆孔將失去抽放作用,為了保證抽采的連續性,必須解決鉆場與鉆場之間鉆孔的壓茬問題。根據鉆場高度、鉆孔垂高參數和前后鉆場的距離,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據作為分析對象,在負壓平均15 k Pa的情況下,1242(1)工作面頂板走向高位鉆孔2012年4－5月份內整體瓦斯抽采情況統計見圖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濃度達到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型通風排瓦斯、本煤層順層鉆孔預抽、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,工作面抽采率達到95%左右,達到預期目標,保證了工作面順利回采,而頂板走向高位鉆孔在其中發揮著十分重要的作用。

圖3 頂板走向鉆孔瓦斯抽采統計

5 結論

(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設計在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,壓茬距離為40 m,這樣可以保證抽采的連續性。

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

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(責任編輯 張艷華)

晉煤集團破冰資本市場邁入“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股份轉讓系統(俗稱“新三板”)敲響開市寶鐘,標志著晉煤集團成功破冰資本市場,加快資本化發展取得重要成果。

昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司成為晉煤集團旗下首家成功掛牌“新三板”的企業,也開創了山西省國資監管系統登陸“新三板”的先河,對企業破冰資本市場,實現從產品經營向資本經營、從間接融資向直接融資轉變,具有十分重要的戰略意義。

晉煤集團董事長、黨委書記賀天才,副總經理閆振東,總會計師鄭紹祖與山西省國資委產權處處長侯國偉,昆山市張浦鎮人民政府副鎮長秦微晰,山西證券股份有限責任公司副總經理、董事會秘書王怡里等領導出席儀式。

昆山晉樺豹膠輪車制造股份有限公司是晉煤集團金鼎公司控股的一家中外合資企業。公司成立于2006年,位于江蘇昆山德國工業園區,是一家以研發、生產、銷售、服務、維修礦用井下防爆無軌膠輪車為主的國家級高新技術企業。該公司從2014年6月5日正式啟動上市項目以來,經過7個多月的時間,于2015年1月19日被全國股轉系統正式批準“晉樺豹”股票在股轉系統掛牌,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,煤炭科學研究總院與中國礦業大學(北京)聯合培養的博士研究生,主要從事礦山壓力、采動煤巖體裂隙演化規律和煤層氣抽采技術理論方面的研究工作。