錢家營礦高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)研究

王劍光 韓 瑜 王 騫

（1.山西省朔州市中煤平朔潘家窯煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100813）

錢家營礦高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)研究

王劍光1韓 瑜2王 騫1

（1.山西省朔州市中煤平朔潘家窯煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省朔州市，036000；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100813）

根據(jù)采空區(qū)上覆巖體三帶理論，以錢家營礦1374工作面為例，計(jì)算出了裂隙帶的分布范圍。采用數(shù)值模擬手段，對該工作面的裂隙帶分布狀況進(jìn)行探索，結(jié)果顯示，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。采用理論分析成果指導(dǎo)該工作面的高位鉆孔瓦斯抽放工作，結(jié)果表明瓦斯抽放濃度在10%左右，說明抽放鉆孔的終孔位置確實(shí)在裂隙帶的中下部。

瓦斯抽放 高位鉆孔 裂隙帶 錢家營礦

回采工作面瓦斯涌出量來自煤壁及采落煤體涌出的瓦斯和采空區(qū)涌出的瓦斯。當(dāng)采空區(qū)瓦斯涌出量所占比例較大時(shí)，單純采用上隅角埋管抽放難以解決問題，特別是當(dāng)煤層具有自然發(fā)火傾向時(shí)，由于上隅角埋管抽放的瓦斯?jié)舛认鄬^低，容易造成采空區(qū)漏風(fēng)。此時(shí)，就需要采取抽放采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯的措施，高位鉆孔抽放 （又稱鉆場抽放）是一種不錯的選擇。

所謂高位鉆孔抽放法即是在回風(fēng)巷道內(nèi)側(cè)或外側(cè)設(shè)鉆場向采空區(qū)上方打鉆抽放瓦斯，該技術(shù)措施的效果主要取決于抽放鉆孔的布置，特別是終孔位置的布置，位置偏高，抽放的瓦斯流量太小，反之，則抽放的瓦斯?jié)舛忍汀?/p>

目前，確定高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)的方法有多種，本研究采用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場瓦斯抽放試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)工作面概況

試驗(yàn)工作面為錢家營礦1374工作面，該工作面位于-600 m水平1～3采區(qū)7＃煤層，東部有沙河大壩及煤礦排矸鐵路通過。采面上風(fēng)道長1178 m，下運(yùn)道長1137 m，平均1157.5 m。采面傾斜長度平均174.7 m。該工作面傾斜上方1373E已采完，傾斜下方為1375W工作面，上覆5＃煤層1353W、1354W工作面已回采，下伏煤層壓茬工作面無工程。

1374工作面屬于穩(wěn)定煤層，煤層厚度1.9～8.7 m，平均4.35 m。局部煤層松軟易片幫，煤層底部有0～0.5 m泥巖夾矸。煤層走向在N50°～N80°之間。

7＃煤層頂板為砂巖裂隙含水層，巷道涌水量小。裂隙發(fā)育時(shí)局部有滴淋水。上覆1353西采空區(qū)可能有積水，積水空間大小為3300 m3，對1374西回采有影響。上鄰1373西和1178東采空區(qū)積水對本工作面回采無影響。工作面內(nèi)有封閉不良鉆孔錢100，其封孔過程中孔內(nèi)掉入鉆具。最大涌水量0.2 m3／min，正常涌水量0.1 m3／min。絕對瓦斯涌出量為3.337 m3／min，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)41.66%，煤層無自然發(fā)火傾向。

1374工作面回采位于三采區(qū)西翼，工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，掘進(jìn)期間共揭露斷層22條，其中對回采有較大影響的斷層7條，受斷層影響，造成局部全巖及薄煤斷層附近頂板穩(wěn)定性變差，頂板破碎易冒落。

2 試驗(yàn)工作面的高位鉆孔參數(shù)計(jì)算

采空區(qū)沿垂直方向由下而上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。若把鉆孔布置在冒落帶內(nèi)，隨著工作面推進(jìn)，高位鉆孔位于矸石自然堆積區(qū)內(nèi)受工作面通風(fēng)量的影響，故此區(qū)域瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定，抽出瓦斯?jié)舛鹊汀⒊槌鐾咚沽啃　⒊榉判Ч睿蝗舭迅呶汇@孔布置在彎曲帶巖煤層內(nèi)，由于巖層保持原有的完整性，透氣性差，則不易抽出瓦斯。為此，抽放鉆孔應(yīng)布置于裂隙帶煤巖層中。裂隙帶瓦斯主要通過煤體或裂隙，以滲流的形式流入裂隙帶，其受工作面風(fēng)量變化的影響較小，其內(nèi)瓦斯?jié)舛纫草^大。另外鉆孔布置在裂隙帶，受采動影響較小，不易破壞，便于抽放鉆孔長期穩(wěn)定地抽出高濃瓦斯。

根據(jù)采礦理論，采空區(qū)上方冒落帶高度和裂隙帶高度的計(jì)算公式分別如式 （1）和式 （2）所示：

式中：Hm——冒落帶高度，m；

M——煤層厚度，取4.35 m；

K——巖石碎漲系數(shù)，取1.25；

Hl——裂隙帶高度，m。

經(jīng)計(jì)算，Hm＝17.4 m，Hl＝43.18 m。

由于高位鉆孔的終孔位置布置在裂隙帶內(nèi)，則它距煤層底板的高度應(yīng)大于冒落帶高度而小于冒落帶高度和裂隙帶高度之和：

式中：H——終孔位置距煤層頂界的高度，17.4 m＜H＜60.58 m。

一般來說，終孔位置應(yīng)布置在裂隙帶內(nèi)，而裂隙帶的范圍很大，這就導(dǎo)致H的取值范圍廣。這就存在一個問題，即終孔是布置在裂隙帶的中上部，還是中下部。如果布置在中上部，瓦斯?jié)舛雀撸髁啃。蝗绻谥邢虏浚瑒t瓦斯?jié)舛鹊停髁看蟆ｅX家營礦為低瓦斯礦，瓦斯對安全生產(chǎn)的影響表現(xiàn)為上隅角瓦斯超限，因此，終孔應(yīng)布置在裂隙帶的中下部。即終孔位置可定在裂隙帶底部四分之一的位置，計(jì)算公式為：

圖1 高位鉆孔空間尺寸示意圖

高位鉆孔在煤巖層內(nèi)的空間位置見圖1。圖1中，終孔位置沿煤層傾向至回風(fēng)巷的距離Y一般為工作面長度的五分之一，傾斜長度平均166 m，這里可取33.2 m。裂隙帶沿采空區(qū)方向?yàn)榫嚯x工作面30～100 m的區(qū)間，終孔位置沿煤層走向至開孔位置的距離X應(yīng)在30 m以上，這里可取80 m。鉆孔與風(fēng)巷的夾角a、鉆孔的仰角β和鉆孔深度L之間的關(guān)系為：

式中：a——高位鉆孔與巷道軸線水平方向的夾角，（o）；

Y——終孔位置沿煤層傾向至回風(fēng)巷的距離，m；

X——終孔位置沿煤層走向至開孔位置的距離，m。

式中：β——高位鉆孔與巷道軸線垂直方向的夾角，（°）。

式中：L——高位鉆孔長度，m。

從工作面回風(fēng)巷向采空區(qū)上方打高位鉆孔，應(yīng)每隔一定距離進(jìn)行一次施工，為實(shí)現(xiàn)鉆孔之間的有效接替，前一鉆孔隨著工作面的推進(jìn)失去作用后，后一鉆孔立即發(fā)揮作用，相鄰兩個鉆孔的空間位置關(guān)系見圖2。圖2中，后一個鉆孔終點(diǎn)的垂線與前一個鉆孔有一個交點(diǎn)，且該點(diǎn)的高度與冒落帶的高度相等，因此，鉆場間的距離S應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：S——高位鉆場間的距離，m。

圖2 兩個相鄰鉆孔空間位置關(guān)系示意圖

經(jīng)計(jì)算：S＝36.2 m。

高位鉆孔施工工藝為：在回風(fēng)巷沿煤壁開鉆，與巷道軸線水平方向的夾角為22.5°，與巷道軸線垂直方向的夾角為15.4°，施工鉆孔總長89.8 m，每隔36.2 m施工一組。

上述研究成果是基于經(jīng)驗(yàn)公式和簡單的理論分析得出來的，為提高高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)的可靠性，接下來采用數(shù)值模擬的方式尋找采空區(qū)上方裂隙帶的位置，為最終確定鉆孔布置方案提供理論依據(jù)。

3 試驗(yàn)工作面的高位鉆孔終孔位置數(shù)值模擬

根據(jù)上述分析可知，高位鉆孔瓦斯抽放成功與否在于鉆孔終孔位置的選擇，這與采空區(qū)上覆巖體的裂隙分布規(guī)律密切相關(guān)，為此，采用數(shù)值模擬手段來尋找采空區(qū)上覆巖體的裂隙分布位置，并與理論分析計(jì)算相結(jié)合，共同指導(dǎo)礦井瓦斯抽放工作。

不同的礦井 （甚至于同一礦井的不同區(qū)域），其地質(zhì)條件不一樣，因此，數(shù)值模擬需要有針對性。根據(jù)煤層地質(zhì)條件，數(shù)值模擬方案如下：煤層厚度為4.35 m，但是，為便于進(jìn)行模擬，在模擬計(jì)算中取4.0 m；煤層埋藏深度600 m，其產(chǎn)生的地應(yīng)力約為15.0 MPa；工作面長度160 m；煤體強(qiáng)度為10 MPa，巖層的強(qiáng)度為40 MPa。建立數(shù)值模型見圖3。

圖3 采空區(qū)上覆巖體裂隙分布數(shù)值模型

數(shù)值模型尺寸為200 m×70 m，劃分為100×35個單元，模型的四周為巖層，中間為煤層 （180 m×4 m）；模型的上下邊界條件是應(yīng)力邊界條件，其值固定為15 MPa；左右邊界條件是位移邊界條件，其值為0。

圖4 采空區(qū)上覆巖體裂隙分布數(shù)值模擬過程圖

根據(jù)所建立的數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其結(jié)果見圖4。

在圖4中，黑色的區(qū)域代表開挖地帶或煤體破裂位置，由圖4可知，當(dāng)煤體被開挖后，開挖空間上方的部分相當(dāng)于采空區(qū)上覆巖體。在開挖后初期，在采空區(qū)中央的上方，巖體首先破裂，緊接著，破裂區(qū)域向兩側(cè)發(fā)展；中央的巖體開始垮落，破裂帶進(jìn)一步向上方推進(jìn)，兩側(cè)的破裂范圍也越來越大。從總體上看，從中央到兩側(cè)，破裂帶的高度呈弧線下降，最高位置離煤層頂板約52 m；在采空區(qū)兩幫的上方存在不同程度的破裂范圍，這是因?yàn)榇颂帒?yīng)力集中，接近模型的邊界，因此，容易破裂。

簡單的理論計(jì)算結(jié)果顯示的裂隙帶距煤層頂板的距離約為60.58 m，而數(shù)值模擬結(jié)果的這個數(shù)據(jù)只有52 m；數(shù)值模擬采用的是4.0 m的采高，而理論計(jì)算用的是4.35 m的煤層厚度，按比例推算，數(shù)值模擬的裂隙帶距煤層頂板約57 m。因此，兩者相差約3.5 m，相對誤差約為5.8%，對于一般的工程問題來說，這個誤差不算太大。

由此可見，對于錢家營礦1374工作面來說，采用簡單的理論計(jì)算得出的采空區(qū)上覆巖層裂隙帶分布范圍基本正確，利用這個結(jié)果設(shè)計(jì)的高位鉆孔參數(shù)也基本合理。

4 錢家營礦高位鉆孔瓦斯抽放實(shí)踐

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的高位鉆孔瓦斯抽放參數(shù)，指導(dǎo)1374工作面的瓦斯抽放鉆孔施工，并進(jìn)行了瓦斯抽放。采集了2009年3月—6月的瓦斯抽放混合流量與純瓦斯流量數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的瓦斯抽放監(jiān)測曲線見圖5。

圖5 高位鉆孔抽放瓦斯監(jiān)測曲線

根據(jù)圖5可知，高位鉆孔混合流量為40000 m3／d左右，總流量為4585121.1 m3；高位鉆孔純瓦斯抽放量在3000 m3／d左右，抽放瓦斯總量為523995.6m3；瓦斯抽放濃度不高，在10%左右，這也證明了所設(shè)計(jì)的高位鉆孔終孔位置確實(shí)在裂隙帶的下部；整個瓦斯抽放過程除前期有所波動以外，總體上基本趨于穩(wěn)定。實(shí)施高位鉆孔瓦斯抽放措施后，該工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔?.46%下降到了0.18%，該瓦斯抽放技術(shù)措施對防止瓦斯超限作出了積極貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)經(jīng)典的采空區(qū)上覆巖體三帶理論，以錢家營礦1374工作面為例，計(jì)算出了裂隙帶的分布范圍；采用數(shù)值模擬手段，對該工作面的裂隙帶分布狀況進(jìn)行探索，結(jié)果顯示，經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

（2）在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出高位鉆孔瓦斯抽放過程參數(shù) （鉆孔終孔點(diǎn)距煤層頂界的高度、鉆孔軸線在風(fēng)巷方向上的投影長度及鉆孔終點(diǎn)在垂直投影到風(fēng)巷的距離）的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了高位鉆孔施工參數(shù) （鉆孔深度、鉆孔與風(fēng)巷的夾角和鉆孔的仰角）計(jì)算公式，并成功應(yīng)用于錢家營礦1374工作面。

（3）錢家營礦1374高位鉆孔瓦斯抽放實(shí)踐顯示：瓦斯抽放濃度在10%左右，不是很高，說明抽放鉆孔的終孔位置確實(shí)在裂隙帶的中下部。

［1］俞啟香.礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992

［2］劉澤功.煤礦抽放瓦斯技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望 ［J］.中國煤炭，2000（8）

［3］涂興子，徐守仁，呂慶剛.幾種煤礦井下瓦斯抽放方法 ［J］.煤礦安全，2003（12）

［4］林柏泉.礦井瓦斯防治理論與技術(shù) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998

Research on high-level borehole parameters for gas drainage in Qianjiaying Coal Mine

Wang Jianguang1，Han Yu2，Wang Qian1
（1.Panjiayao Mining Co.，Ltd.，Chinacoal Pingshuo Group Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036000，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Taking 1374 mining face of Qianjiaying Coal Mine as an example，the distribution arrange of fissure zone was calculated according to the“Three Zones Theory”of overlying rock mass.By the aid of numerical simulation，the distribution arrangement of fissure zone of 1374 mining face was analyzed.The results showed that the simulated results are basically consistent with the results calculated from the empirical formula.The theoretical analysis results were used to guide the gas drainage from high-level boreholes.The concentration of drained gas is 10%，suggesting the end of boreholes located in the middle and lower part of fissure zone.

gas drainage，high-level borehole，fissure zone，Qianjiaying Coal Mine

TD712.6

A

王劍光 （1979-），男，河北唐山人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)任潘家窯煤礦總工程師。

（責(zé)任編輯 張艷華）