古書院礦15#煤層頂板裂隙演化規律及高位鉆孔優化設計

劉建兵

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司古書院礦)

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古書院礦15#煤層頂板裂隙演化規律及高位鉆孔優化設計

劉建兵

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司古書院礦)

摘要上隅角瓦斯超限一直是綜采工作面瓦斯治理的重點，頂板裂隙帶是瓦斯的富集區，將高位鉆孔布置在采空區頂板裂隙區內進行瓦斯抽采能有效解決上隅角瓦斯超限問題。在對古書院煤礦15#煤層頂板巖層采動裂隙形成“三帶”高度進行研究的基礎上，對回風巷高位鉆孔布置方案進行優化設計，解決了15#煤層回采工作面上隅區瓦斯濃度超限問題。

關鍵詞冒落帶裂隙帶巖層探測高位鉆孔

我國礦井開采深度平均每年增加10～30 m，機械化程度和煤炭產量日益提高，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應力和瓦斯涌出量也不斷增大[1]，由遺留煤柱、采空區余煤以及鄰近煤層涌入采空區的瓦斯量也會大幅度提高，造成上隅角和回風流中瓦斯濃度超限，給安全生產帶來了嚴重威脅[2]。高位鉆孔抽采采空區裂隙瓦斯由于其成本低、效果好、施工方便、管理簡單，是解決上隅角瓦斯超限的有效方法之一，目前已在多個礦區得到應用[3-6]。已有研究表明,在裂隙帶布置高位鉆孔能夠實現連續抽采，達到最佳的抽放效果。采場裂隙發育和演化既復雜也存在多面性，本文針對古書院礦15#煤層堅硬頂板，在研究其裂隙帶在采動影響下的形成和分布規律的基礎上，對采空區上隅角瓦斯抽放高位鉆孔進行了優化設計。

1工程概況

古書院礦隸屬于山西省晉城煤業集團，地處晉城市城區北環路，年產煤量330萬t，是晉煤集團最早開采的三大礦井之一。該礦15#煤層與9#煤層相距約30 m，15#煤頂板上方為9#煤層采空區。目前15#煤為主采煤層，與其上部的9#煤層間距較小，所以對15#煤頂板裂隙的發育及三帶高度的劃分尤為重要，是15#煤層能否建立高位鉆孔抽采系統的前提條件。

2三帶高度理論計算

在全部垮落法管理采空區的情況下，采空區頂板巖層由下而上一般分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。根據頂板巖層巖性的不同，采動影響下頂板巖層垮落帶和裂隙帶高度采用不同的計算方法，因此需對頂板巖性進行歸類。

15#煤層平均傾角3.5°，煤層厚度0.81～3.56 m，平均厚度1.98 m。直接頂為K1灰巖，堅硬，厚度約9.10 m；老頂為砂質泥巖，堅硬、細密，厚度約2.30 m。

由于15#煤層頂板堅硬，計算垮落帶高度時需按堅硬覆巖巖性考慮，垮落帶最大高度Hm[7]為

(1)

裂隙帶最大高度Hli為

(2)

式中，ΣM為煤層累積厚度。

根據式(1)、式(2)，分別計算古書院礦15#煤層頂板垮落帶厚度為(9.1±2.5) m，裂隙帶厚度為(32.5±8.9) m。忽略誤差，以頂板為0面，頂板以上0～9.1 m為垮落帶，9.1～44.3 m為裂隙帶。

3裂隙發育探測

3.1巖層探測儀

采用YTJ20型巖層探測記錄儀(見圖1)，在探測鉆孔中布置微型攝像機，對井下圍巖狀態(包括離層區、裂隙區、剪切破壞區等)進行直觀讀取，結合分析軟件，可對巖(煤)層產狀、裂隙發育情況進行較為準確的推測。

圖1　YTJ20型巖層探測記錄儀

3.2探測孔布置

此次探測地點為古書院礦1523073和1513051巷的采空區頂板，每個巷道分別布置2組，共6個鉆孔，每組仰角分別為24°，35°，40°，鉆孔深度設計為30 m。在鉆孔實施過程當中，為了減少工程量，節約成本，盡量利用已有的、達到設計標準的頂板爆破孔或探放水孔。

3.3探測結果

根據1513073巷和1513051巷的探測，分析鉆孔斜長和垂高的相應位置關系，并給出15#煤層頂板裂隙面的位置，具體見圖2。

從1523073巷和1513051巷巖層探測和位置關系分析，可得出以下結論：

圖2　鉆孔探測示意

(1)采前裂隙發育程度較采后偏低。在現場探測裂隙過程中，當探測點與15#煤層垂高為14 m以下時，裂隙發育程度較低；當探測點與15#煤層垂高大于14 m時，垂高與裂隙發育程度成正比，即垂高越大，裂隙越密集。

(2)5個探測孔垂高基本都在15.46 m和16.34 m 處時，裂隙發育程度最高，可以判定該裂隙沿著煤層呈面狀布置，這與之前計算的理論垮落帶高度(9.1～44.3 m)基本吻合。

4高位鉆孔優化設計

4.1回風巷高位鉆孔設計方案

根據現場試驗，在采空區頂板裂隙帶內布置抽采鉆孔，抽采的瓦斯濃度較高，對流向工作面上隅角瓦斯起到了截流作用。

根據15#煤層裂隙帶發育情況以及瓦斯運移規律，該礦建立了一套以“順層鉆孔抽采、頂板高位鉆孔抽采和采空區埋管抽采”為核心的立體式綜合抽采技術。

高位鉆場設計在工作面回風巷中，按間距80 m布置。整條巷道共布置16個鉆場，每個鉆場沿走向布置5～6個抽采鉆孔，要求鉆孔盡可能的布置在頂板裂隙帶內。每個鉆場鉆孔需超前一鉆場20 m以上，具體見圖3。鉆孔施工完畢后，通過抽采管道連接到地面瓦斯泵站進行瓦斯抽采。高位鉆孔抽采瓦斯剖面見圖4。

圖3　高位鉆孔平面布置示意(單位：m)

4.2高位鉆孔抽采效果

鉆孔瓦斯涌出規律取決于礦山地質條件和技術條件。在該兩條件不變的情況下，受采動影響時，鉆孔瓦斯涌出量隨著時間的增加先減小后增大，隨后逐漸減小。

圖4　高位鉆孔抽采瓦斯剖面

一般來說，當高位鉆孔布置在工作面后方10～20 m時，由于受采動影響，垮落帶冒落，裂隙帶發育充分，瓦斯涌出量較大，抽采流量和抽放濃度較高，抽采效果顯著；當工作面在高位鉆孔前方時，受工作面超前影響，工作面頂板巖層應力集中，并向工作面前方偏移，此時在煤體上方頂板會形成應力集中區，在其作用下，煤(巖)體被壓實，孔隙率和透氣性系數都會減小，此時鉆孔濃度和流量偏低；而當工作面在鉆孔后方0～10 m后，頂板開始冒落，裂隙發育不充分，鉆孔混合流量與濃度有小幅度提升；當工作面在鉆孔后方10～20 m時，流量和濃度最高；當工作面推過鉆孔20 m后，采空區頂板，特別是老頂會產生初次來壓和周期來壓，此時巖層活動加劇，巖層擠壓對抽采管路造成剪切破壞和壓壞，再加上采空區風流(大部分空氣)進入裂隙帶，鉆孔中瓦斯濃度逐漸下降，隨后由于管路的破壞，兩者還會呈現急劇下滑的趨勢。

而此次鉆孔布置在工作面前方，采過之后能夠有效地抽取工作面回風巷10～20 m處的瓦斯，同時也能改變風流方向，降低上隅角瓦斯濃度。現場實測表明，各鉆場瓦斯抽放孔終孔位置布置合理，位于瓦斯富集的頂板裂隙帶內，各鉆孔瓦斯濃度達8%～20%，瓦斯抽放效果理想，回風巷上隅角瓦斯濃度明顯降低。

5結論

(1)采用理論計算，得出古書院礦15#煤層頂板三帶劃分高度，計算結果與頂板巖層觀測儀現場探測裂隙發育情況較為一致，為該礦15#煤層采動影響下頂板巖層三帶高度劃分提供了較為準確的依據。

(2)通過對高位鉆孔的優化設計，解決了15#煤層綜采工作面上隅角瓦斯超限問題。提出對采空區頂板裂隙帶富集瓦斯抽采，截流了上隅角瓦斯，基本解決了上隅角瓦斯濃度超限。

參考文獻

[1]國家安全監管總局.煤礦瓦斯災害防治科技發展對策[R].北京：國家安全監管總局,2014.

[2]肖長河.綜放工作面高位頂板裂隙鉆孔抽放瓦斯技術[J].中州煤炭,2007(2):79-80.

[3]王耀鋒,聶榮山.基于采動裂隙演化特征的高位鉆孔優化研究[J].煤炭科學技術,2014,42(6):86-91.

[4]李霄尖,姚精明,何富連,等.高位鉆孔瓦斯抽放技術理論與實踐[J].煤炭科學技術,2007,35(4):16-19.

[5]孟攀,葉金焱.采場覆巖裂隙發育及高位鉆孔優化設計—以祁南煤礦34下2工作面為例[J].煤田地質與勘探,2012,40(2):19-22.

[6]周衛金,方小偉.高位鉆孔抽放的瓦斯滲流研究[J].煤炭科學技術,2006,34(1):76-78.

[7]郭文兵,柴華彬.煤礦開采損害與保護[M].北京：煤炭工業出版社,2008.

(收稿日期2015-02-11)

Roof Fissure Evolution Regularity of 15#Coal Seam and High Level Borehole Optimizing Design of Gushuyuan Mine

Liu Jianbing

(Gushuyuan Mine, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd.)

AbstractThe upper corner gas gauge is always the focus of the gas governance of fully mechanized working face. The roof fissure zone is the gas enrichment region, the high level borehole is arranged in the roof fissure zone so as to deal with the upper corner gas gauge effectively. Based on analyzing the high of the "three zones" formed by the roof strata mining-induced fissures of the 15# coal seam in Gushuyuan mine, the arrangement scheme of high level borehole is conducted optimization design, the problems of upper corner gas gauge of 15# coal seam fully mechanized working face are solved effectively.

KeywordsCaving zone, Fissure zone, Rock detection, High level borehole

劉建兵(1977—)，男，工程師，048000 山西省晉城市。