黃陵礦區(qū)二礦高位裂隙鉆孔瓦斯抽采有效性分析

郝天軒 姚春雨

(河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000)

★煤礦安全 ★

黃陵礦區(qū)二礦高位裂隙鉆孔瓦斯抽采有效性分析

郝天軒 姚春雨

(河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南省焦作市,454000)

闡述了采用高位鉆孔瓦斯抽采的技術(shù)關(guān)鍵,確定了工作面上方的冒落帶和裂隙帶高度,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)考察了鉆孔的有效利用率和鉆場(chǎng)間距合理性,結(jié)果表明:黃陵礦區(qū)二礦107工作面回風(fēng)巷高位裂隙鉆孔布置較合理,能夠解決工作面瓦斯涌出量較大的問(wèn)題,如果降低鉆孔仰角,使鉆孔的終孔位置位于冒落帶之上、裂隙帶的中下部,可以更有效抽采瓦斯。

高位裂隙鉆孔 瓦斯抽采 鉆場(chǎng)間距 黃陵礦區(qū)

AbstractThis paper elaborates on the key technology used in gas extraction via high positioned drill holes.It also determines the height of caving zones and fissure zones over working faces and also probes the effective utilization ratio of drill holes and the rationality of drill field spacing according to the test data obtained on site.The results show that the arrangement of high positioned drill holes are rationalized in the fissire zones in the return air entry of#107 face, which can handle large gas inflow in coal faces.When the drill hole elevation angles are reduced to allow the ends of the drill holes to reach the location above caving zones and the middle-lower part of fissure zones,an even effective gas extraction can be realized.

Key wordshigh positioned drill hole in fissure zone,gas extraction,drilling site spacing, Huangling coal mining area

瓦斯抽采是解決瓦斯災(zāi)害的根本性措施。現(xiàn)階段,高位裂隙鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是治理工作面瓦斯的重要技術(shù)措施,如何保證這一技術(shù)既能達(dá)到災(zāi)害防治的目的又能實(shí)現(xiàn)工作面高效生產(chǎn)并進(jìn)一步有效利用瓦斯成為生產(chǎn)當(dāng)中亟待解決的問(wèn)題。

1 高位裂隙鉆孔抽采技術(shù)關(guān)鍵

高位裂隙鉆孔是布置在工作面頂板上方裂隙帶中用于抽采工作面瓦斯的鉆孔。高位裂隙鉆孔抽采瓦斯的技術(shù)關(guān)鍵就是確定鉆孔布置參數(shù),確切地說(shuō)就是確定瓦斯抽采的最優(yōu)匯集區(qū)域,這個(gè)匯集區(qū)域必須具備4個(gè)基本特征。

(1)匯集區(qū)域所在巖層的層位必須在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在,保證具有相當(dāng)長(zhǎng)的瓦斯抽采時(shí)間。

(2)具有穩(wěn)定的高瓦斯?jié)舛?成為采場(chǎng)范圍內(nèi)的一個(gè)“瓦斯庫(kù)”,能保證較高的瓦斯抽采率。

(3)在采動(dòng)影響下會(huì)產(chǎn)生一定的裂隙通道,能使臨近層等較大范圍處的瓦斯可以源源不斷地進(jìn)入。

(4)產(chǎn)生的裂隙通道不能過(guò)度暢通,以防大量空氣進(jìn)入,降低抽采濃度和抽采效率。

在對(duì)高位裂隙鉆孔布置參數(shù)和抽放效果分析后,如果瓦斯抽采的區(qū)域滿足上述特征則證明鉆孔布置參數(shù)合理有效。

2 工作面瓦斯涌出原因分析

高位裂隙鉆孔主要解決因工作面瓦斯涌出量大而造成回風(fēng)流和上隅角瓦斯超限問(wèn)題。準(zhǔn)確分析工作面瓦斯涌出來(lái)源是確定高位裂隙鉆孔參數(shù)的首要工作。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察和理論分析,將黃陵礦區(qū)二礦綜采工作面瓦斯涌出源劃分為工作面本煤層瓦斯涌出、鄰近煤層瓦斯涌出、采空區(qū)落煤瓦斯涌出、采空區(qū)煤柱瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出5個(gè)部分,工作面本煤層瓦斯涌出又包括采落煤瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出兩部分。

含瓦斯煤層在開(kāi)采過(guò)程中,鄰近煤層及圍巖中瓦斯的賦存條件遭到破壞,在一定區(qū)域內(nèi)這部分瓦斯也涌入工作面,同本煤層瓦斯涌出一起構(gòu)成采煤工作面瓦斯涌出。在黃陵二礦開(kāi)采2#煤層后,上覆20 m左右?guī)r層及1#煤層產(chǎn)生卸壓,卸壓煤層瓦斯沿著采動(dòng)裂隙向采空區(qū)下滲;2#煤層上部有儲(chǔ)氣性能較好的砂巖層,開(kāi)采2#煤層時(shí),砂巖層中的這部分瓦斯也會(huì)沿著采動(dòng)裂隙涌向采空區(qū)。聚集在采空區(qū)的瓦斯在濃度梯度的作用下向工作面方向擴(kuò)散;另外,工作面部分風(fēng)量流向采空區(qū),這部分漏風(fēng)在工作面回風(fēng)側(cè)又流向工作面,并將采空區(qū)瓦斯帶入工作面。由此可見(jiàn),實(shí)施高位鉆孔抽采既可解決鄰近層和圍巖來(lái)源瓦斯,又可減少采空區(qū)向工作面的瓦斯涌出。

3 107工作面高位裂隙鉆孔介紹

表1 107工作面高位鉆孔參數(shù)

根據(jù)原有研究資料和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)黃陵礦區(qū)二礦107工作面初步設(shè)計(jì)了高位裂隙鉆孔。鉆場(chǎng)位于107回風(fēng)巷,距切眼1230 m開(kāi)始布置。鉆場(chǎng)間距70 m,每個(gè)鉆場(chǎng)有鉆孔7個(gè),孔徑94 mm,孔長(zhǎng)均為150 m,每一鉆孔用直徑113 mm鉆頭擴(kuò)孔4 m長(zhǎng),用3寸鋼管 (或PVC管)配合馬麗散封孔,封孔長(zhǎng)度均不小于3.5 m,詳細(xì)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1,鉆孔布置見(jiàn)圖1。

4 高位裂隙鉆孔考察與分析

4.1 鉆孔終孔位置分析

高位裂隙鉆孔終孔位置應(yīng)在采空區(qū)上覆巖層的冒落拱上方裂隙帶中,也就是冒落帶的上部和裂隙帶的中下部,這樣卸壓瓦斯才可以通過(guò)裂隙被高位鉆孔抽采,達(dá)到降低工作面瓦斯涌出的效果。因此,準(zhǔn)確分析采空區(qū)上覆巖層的冒落帶和裂隙帶是確定瓦斯抽采最優(yōu)匯集區(qū)域的首要工作。

圖1 107工作面高位鉆孔布置圖

4.1.1 冒落帶的確定

冒落帶高度h冒主要取決于采厚和上覆巖石的碎脹性,通常為采厚的3～5倍。根據(jù)107綜采工作面的覆巖巖性特征,按中硬巖層處理,則可使用如下統(tǒng)計(jì)公式:

式中:M——開(kāi)采煤層的厚度,m。

107工作面開(kāi)采煤層平均厚度為5.2 m,綜采時(shí)一次采全高。則根據(jù)式 (1)得冒落帶高度h冒= 9.8～14.2 m,為方便理論分析按平均10 m計(jì)算。

4.1.2 裂隙帶的確定

巖層破斷后,巖塊仍然排列整齊的區(qū)域即為裂縫帶 (裂隙帶)。冒落帶與裂隙帶合稱(chēng)“兩帶”,又稱(chēng)為導(dǎo)水裂縫帶,從瓦斯防治工作考慮又稱(chēng)導(dǎo)氣帶。按中等強(qiáng)度巖石計(jì)算則可導(dǎo)氣帶高度h導(dǎo)使用如下統(tǒng)計(jì)公式:

式中:M—開(kāi)采煤層的厚度,m。

開(kāi)采煤層的厚度按5.2 m,則根據(jù)式 (2)得導(dǎo)氣帶高度h導(dǎo)=38～49.2 m,為方便理論分析按平均40 m計(jì)算。

根據(jù)表1中1#鉆孔終孔與頂板的垂距為38.8 m可以看出,鉆孔的終孔位置是位于裂隙帶中的,而且穿過(guò)了位于2#煤之上20 m左右的1#煤,可直接抽采此鄰近層瓦斯,但位置稍高沒(méi)有落入裂隙帶中下部。不過(guò),隨著工作面的推進(jìn)可以較長(zhǎng)時(shí)間抽采瓦斯。

4.2 鉆孔有效利用率及有效長(zhǎng)度

根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的分析,鉆孔只有在冒落帶上方才是有效的 (見(jiàn)圖2),因?yàn)殡S著工作面的推進(jìn),進(jìn)入冒落帶的孔就會(huì)隨頂板垮落而導(dǎo)致抽風(fēng)量過(guò)大無(wú)高濃度瓦斯或直接被堵死,失去作用。其鉆孔有效長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)圖2。

圖2 鉆孔有效利用率及有效長(zhǎng)度計(jì)算

按三角形相似比鉆孔有效效率為:

式中:ρ——鉆孔有效效率,%;

H孔終——孔終位置高度,m;

H冒——冒落帶高度,m。

有效長(zhǎng)度:

式中:L有效——鉆孔有效長(zhǎng)度,m;

L孔——鉆孔長(zhǎng)度,m。

則按公式 (3)計(jì)算鉆孔有效率ρ為74%,按公式 (4)計(jì)算鉆孔的有效長(zhǎng)度L有效為111 m。

理論分析鉆孔的有效效率和有效長(zhǎng)度都較高,故能在保證較小工程量的同時(shí)取得很好的抽放效果。

4.3 鉆場(chǎng)間距

使用高位裂隙鉆孔抽采瓦斯時(shí),確定場(chǎng)間距也是技術(shù)關(guān)鍵之一。合理的鉆場(chǎng)間距可保證前一個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔由于受采動(dòng)裂隙的影響而失去抽放能力后,后一鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔可馬上抽采出較高濃度的瓦斯,從而保證工作面瓦斯涌出始終保持在一個(gè)較低的水平。

按照公式 (2)已分析了鉆孔的有效長(zhǎng)度L有效確定鉆場(chǎng)間距L間距,其關(guān)鍵就是保證每一個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔終孔位置都處于上一個(gè)鉆場(chǎng)的有效長(zhǎng)度L有效之上,見(jiàn)圖3。

圖3 鉆場(chǎng)間距確定示意圖

式中:a——鉆孔仰角,(°)。

把公式 (4)得到的L有效=111 m和α=15°代入公式 (5)得鉆孔間距為107 m,而為了保證穩(wěn)定的瓦斯抽采,把鉆場(chǎng)間距定在70 m可保證37 m鉆孔接替,在同時(shí)抽采兩個(gè)鉆場(chǎng)的情況下效果應(yīng)非常明顯。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

為了準(zhǔn)確分析高位鉆孔的效果,印證理論設(shè)計(jì)與分析,在107回風(fēng)巷的一個(gè)鉆場(chǎng)安置4個(gè)孔板流量計(jì),同時(shí)加設(shè)4個(gè)測(cè)氣孔,每天下井對(duì)應(yīng)工作面的進(jìn)尺實(shí)測(cè)每個(gè)鉆孔管路上孔板壓差濃度,并通過(guò)計(jì)算得到該鉆孔的瓦斯混合流量和瓦斯純量。部分鉆孔瓦斯純量數(shù)據(jù)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 瓦斯純量與鉆孔距頂板高度關(guān)系圖

由圖4可知:鉆孔距頂板高度30 m之后開(kāi)始有瓦斯被抽出,與回風(fēng)巷平距最大的6#、7#孔首先有數(shù)值且7#孔很快達(dá)到最大值,之后是6#孔達(dá)到最大值,而它們都在鉆孔距頂板高度17m左右發(fā)生突變。3#孔和4#孔在6#孔和7#孔數(shù)值變小后達(dá)到高峰且在鉆孔距頂板高度10 m左右發(fā)生突變,此處應(yīng)為冒落高度,而各孔效果也趨于一致。從3#、4#、6#、7#孔的曲線變化可以看出冒落拱距回風(fēng)巷平距上的高度變化,最大冒落高度在17 m左右,最小冒落高度在10 m左右,與按照公式(1)計(jì)算的冒落高度在9.8～14.2 m相吻合。6#孔的瓦斯純量明顯大于7#孔,說(shuō)明鉆孔距回風(fēng)巷的平距并不是越大越好,在30 m之內(nèi)是比較合適的。距離回風(fēng)巷較近的3#、4#孔前期抽放效果一般說(shuō)明鉆孔長(zhǎng)度并不須一致,靠近回風(fēng)巷的鉆孔可適當(dāng)減小鉆孔長(zhǎng)度。而數(shù)據(jù)都出現(xiàn)在鉆孔距頂板高度30 m之后正驗(yàn)證了裂隙帶高度在40 m左右,因?yàn)橹挥秀@孔的終孔位置位于裂隙帶的中下部才能靠較好的裂隙發(fā)育抽采瓦斯。

4.5 抽放總體效果分析

(1)抽放瓦斯量統(tǒng)計(jì)。抽放泵站的107高位裂隙瓦斯抽放日?qǐng)?bào)表統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,以2009年6月共抽采瓦斯量 644814.64 m3,平均抽采瓦斯量14.9 m3/min。

(2)抽放率計(jì)算。

式中:dgk——高位鉆孔瓦斯抽放率,%;

Qg——高位鉆孔瓦斯抽采量,m3/min(以6月份為基礎(chǔ),按14.9m3/min);

Wg——工作面絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min (以6月份瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按1.93m3/min);

Rg——上隅角瓦斯抽采量,m3/min(以 6月份抽放泵站統(tǒng)計(jì)為準(zhǔn),按1.6m3/min)。

經(jīng)計(jì)算,dgk=80.8%。

由計(jì)算可得出高位裂隙鉆孔的抽放率達(dá)到了80%以上,效果非常明顯。

(3)抽放前后瓦斯情況對(duì)比。抽放前工作面配風(fēng)1700 m3/min,回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸畲髸r(shí)0.93%左右,絕對(duì)瓦斯涌出量8 m3/min左右。抽放后,抽出瓦斯量平均在14 m3/min左右,工作面回風(fēng)絕對(duì)瓦斯涌出量降至2 m3/min左右,回風(fēng)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%,各地點(diǎn)瓦斯均無(wú)超限現(xiàn)象,工作面正常開(kāi)采。抽放泵停運(yùn)期間,工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛戎饾u上升,并穩(wěn)定在1.0%左右,抽放泵開(kāi)起后,工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛戎饾u下降,穩(wěn)定在0.2%～0.3%之間。這說(shuō)明工作面瓦斯涌出量比較穩(wěn)定,抽放工藝對(duì)降低工作面瓦斯?jié)舛绕鸬搅藳Q定性作用。

5 結(jié)論和建議

經(jīng)綜合分析,107工作面回風(fēng)巷高位裂隙鉆孔布置比較合理,能夠較好的解決工作面瓦斯涌出量較大的問(wèn)題。現(xiàn)107工作面已基本回采完畢,建議布置下區(qū)段綜采工作面的高位裂隙鉆孔時(shí),在結(jié)合采高的基礎(chǔ)上充分考慮冒落帶和裂隙帶的高度,并考慮煤層傾角,降低鉆孔仰角α,使鉆孔的終孔位于冒落帶之上、裂隙帶的中下部,可保證有更好的抽放效果。另外,在鉆孔的扇形布置上可考慮冒落拱的高度變化,從7#孔到1#孔逐漸縮短鉆孔長(zhǎng)度,減少鉆孔施工工作量。詳細(xì)優(yōu)化鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2和圖5。

表2 工作面高位裂隙鉆孔優(yōu)化參數(shù)表

圖5 工作面高位鉆場(chǎng)鉆孔布置優(yōu)化圖

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(責(zé)任編輯 梁子榮)

An analysis of the effectiveness of gas extraction by high-positioned fissure drill-holes made in No.2 Mine in Huangling mining area

Hao Tianxuan,Yao Chunyu
(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan province 454000,China)

TD712.6

B

郝天軒 (1976-),男,河南省孟州市人,博士,副教授,現(xiàn)從事煤礦安全教學(xué)和研究工作。