沙曲礦瓦斯抽放模型研究

王向東，景瑞旭

(山西省華晉焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

1 礦井概況

沙曲井田總體呈一單斜構(gòu)造，地層走向由北向南，由南北向漸變?yōu)楸蔽飨颍瑑A向由西漸變?yōu)槟衔鳎貙觾A角平緩，一般為3°～7°。井田內(nèi)以寬緩的小型褶曲及陷落柱構(gòu)造為主，斷層稀少且斷距小，井田內(nèi)無巖漿侵入，井田地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬簡單型。其工作面布置方式均為傾斜長臂后退式開采。

目前，華晉焦煤沙曲礦主采山西組4#煤層和5#煤層。其中4號煤層賦存于山西組下部，上距3#煤平均6．16 m，煤厚平均2．98 m。北翼區(qū)域部分為3#、4#煤合并的厚煤地段，煤層多為4 m左右，最厚達(dá)6．05 m。5#煤層上距4#煤層平均2．98 m，煤厚平均2．73 m。

沙曲礦4#煤層瓦斯含量平均值為11．06 m3/t，百米鉆孔衰減性系數(shù)為0．026 d－1，鉆孔抽放半徑為5 m，經(jīng)鑒定沙曲礦4#煤層具有煤與瓦斯突出危險性。

2 瓦斯抽放模型

本模型首先要解決采掘工作面煤與瓦斯突出的問題，其次要解決采掘工作面瓦斯涌出量大的問題，還要解決回采工作面采空區(qū)和回采工作面上隅角瓦斯問題。

2．1 定向順層鉆孔預(yù)抽

為解決采掘工作面煤與瓦斯突出和采掘工作面瓦斯涌出量大的問題，采用定向鉆機(jī)(VLD1000型澳鉆)施工全工作面的順層鉆孔(見圖1)，根據(jù)抽放半徑安排鉆孔間距為10 m，因工作面長度為260 m，煤柱寬度為50 m，外加區(qū)域防突的保留距離，因此，鉆孔設(shè)計深度為350 m。

圖1 鉆孔布置圖

因鉆孔施工巷道為上工作面專用回風(fēng)巷道，因此，在工作面回采時可以繼續(xù)進(jìn)行瓦斯抽放。以保證抽放時間，將抽放時間暫定為1年。瓦斯抽放鉆孔實際抽放率ηs計算公式為：

式中：ηs—預(yù)抽鉆孔實際瓦斯抽放率，%;

qc0—百米鉆孔初始瓦斯抽放量，m3/min，取0．6205;

β—鉆孔瓦斯抽放量衰減系數(shù)，d－1，取 0．026;

t—預(yù)抽鉆孔平均預(yù)抽時間，d，取150;

L1—預(yù)抽鉆孔平均單孔長度，m，取350;

W0—煤層原始瓦斯含量，m3/t，取11．06;

L0—工作面長度，m，取350;

d1—巷道預(yù)排瓦斯等值寬度，因鉆孔為下工作面預(yù)留40 m，因此d1=40 m;

m0—煤層厚度，m，取4;

γ—煤容重，t/m3，取 1．36;

z—預(yù)抽鉆孔間距，m，取10;

k—預(yù)抽鉆孔布孔方式參數(shù)，單巷布置則k=1。

由以上公式計算可得：

由此可知，在沙曲礦3#煤和4#煤合并區(qū)域抽放150天后瓦斯抽放率可達(dá)63．3%，煤體殘余瓦斯含量為4．05 m3/t。隨著抽放時間的延長，鉆孔抽放量逐漸衰減，抽放150天后鉆孔已接近抽放極限。如果工作面暫時無需回采，鉆孔可以繼續(xù)抽放，但是工作面瓦斯殘余量無明顯下降趨勢(見圖2)。可以確定已經(jīng)達(dá)到工作面消突的目的，并且在巷道掘進(jìn)和工作面回采時可降低本煤層瓦斯涌出。

圖2 抽放率和殘余瓦斯含量曲線圖

2．2 采空區(qū)裂隙帶鉆孔抽放

因工作面本煤層和鄰近層瓦斯均涌入回采工作面采空區(qū)的空間內(nèi)，容易造成回采工作面瓦斯超限等問題。但工作面采空區(qū)瓦斯均流向靠近回風(fēng)巷的負(fù)壓區(qū)上方，針對此特點并利用工作面專用回風(fēng)巷施工采空區(qū)鉆孔可抽采上鄰近層瓦斯。為此根據(jù)裂隙帶鉆孔流量大的特點，施工鉆孔必須采用大直徑，并且抽放必須采用大負(fù)壓。為此沙曲礦安排了孔徑為250 mm的ADR－250鉆機(jī)，對采空區(qū)的裂隙帶部位施鉆，按照采空區(qū)三帶分布，工作面上部8～12倍采高是鉆孔最合適的抽放區(qū)域，為此鉆孔終孔高度定為48 m(見圖3)。鉆孔采用鉆場式布置，每個鉆場布置鉆孔5個，鉆場間距75 m，終孔間距15 m(以24207工作面為例)。

圖3 裂隙帶鉆孔剖面圖

在連續(xù)觀測3個鉆場后可知，從第一個鉆場正常抽采后，抽放量均能達(dá)到12 m3/min，并且第一鉆場抽放量衰減時，第二個鉆場抽放量則迅速上升，說明鉆場之間銜接較為合理，鉆場內(nèi)抽放量波動較小，說明鉆場內(nèi)各個鉆孔之間銜接也較為合理(見圖4)。該類型鉆孔抽放量能夠達(dá)到該工作面絕對瓦斯涌出量的40%左右，是解決回采工作面瓦斯的主要方法。

圖4 裂隙帶鉆孔抽放量曲線圖

2．3 采空區(qū)埋管抽放

為解決采空區(qū)上隅角瓦斯，沿回采工作面的回風(fēng)側(cè)的上幫敷設(shè)1條450 mm瓦斯管，每隔6 m在瓦斯管外側(cè)安裝1個150 mm三通和閥門，在工作面回采至三通位置時進(jìn)行接管抽放，經(jīng)過初采期后上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0．3% ～0．6%，且濃度無明顯反彈，能夠保證工作面安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本模型的特點是在上回采工作面回采前完成順層鉆孔的施工工作，然后在上工作面回采的過程中進(jìn)行抽放;因回采時間較長，在上工作面回采完成后，工作面煤體抽放率達(dá)到63．3%，下工作面巷道已經(jīng)消突，可以正常掘進(jìn);巷道掘進(jìn)完成后，布置采空區(qū)裂隙帶鉆孔，同時安裝工作面;在回采過程中40%的瓦斯被采空區(qū)裂隙帶鉆孔抽放，上隅角瓦斯被埋管抽放。工作面可以安全高效生產(chǎn)。

本模型采用上工作面巷道的遞進(jìn)式瓦斯治理模式，無需施工頂板走向高抽巷和底板瓦斯抽放巷，節(jié)約了大量的巖巷施工時間，同時減少了巖巷開拓的成本，并且所有鉆孔的瓦斯?jié)舛染?0%以上，順層定向鉆孔瓦斯?jié)舛壬踔量蛇_(dá)70%以上，可以作為優(yōu)質(zhì)清潔的能源，為礦井增加新的經(jīng)濟(jì)效益增長點。

［1］ 楊 東，仇海生，王世棟．寶積山煤業(yè)公司702工作面合理預(yù)抽參數(shù)確定［J］．遼寧工程術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007(26)：34－36．

［2］ 姜玉超．正陽煤礦2#煤層回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測［J］．煤炭工程，2011(4)：47－48．

［3］ 林柏泉，張建國．礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］．徐州．中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996：45－54．

［4］ 梁運(yùn)培，文光才．頂板巖層“三帶”劃分的綜合分析法［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(5)：39－42．

［5］ 郝長勝．采空區(qū)埋管抽放技術(shù)在采煤工作面的應(yīng)用［J］．煤，2010，19(4)：16－18．