高位鉆場走向長鉆孔抽采裂隙帶瓦斯技術

2016-06-16 07:01:27徐再剛

現代礦業 2016年4期

徐再剛

(貴州盤江精煤股份有限公司)

高位鉆場走向長鉆孔抽采裂隙帶瓦斯技術

徐再剛

(貴州盤江精煤股份有限公司)

摘要12#煤層是某區段內的首采層，經預測回采期間的瓦斯涌出量為46.2 m3/min，為解決回采過程中采空區瓦斯向采面上隅角涌出的問題，施工高位鉆場抽采采空區裂隙帶富集區內高濃度瓦斯，并通過束管觀測瓦斯濃度，結果顯示，裂隙帶瓦斯富集區高度是煤層采高的8.7倍，平距發育距離為14 m，并呈斜梯形；主管抽采濃度最高達到45%，濃度長期保持在30%左右，有效解決了裂隙帶瓦斯向上隅角涌出問題。

關鍵詞高位鉆場走向鉆孔單孔濃度瓦斯抽采裂隙帶

對于突出礦井和高瓦斯煤層而言，瓦斯抽采是防治突出和治理瓦斯的根本措施[1]。高位鉆場瓦斯抽采實際是通過在高位鉆場內向采空區施工走向長鉆孔抽采裂隙帶積聚的大量高濃度瓦斯[2]，從而減少采空區的瓦斯向上隅角涌出。劉澤功通過對首采煤層瓦斯源分析，采用實驗室相似材料試驗、數值模擬計算和工業性試驗研究方法，尋找采場上覆巖層中環形裂隙圈形成機理和位置，并在環形裂隙圈內施工鉆孔抽采瓦斯，解決了上隅角瓦斯涌出問題[3]。候守道根據現場的實際情況，對鉆孔個數及參數進行優化，成功解決了上隅角瓦斯涌出問題[4]。李霄尖根據現場的實際情況，模擬出采空區裂隙帶O型圈位置，并在此布置高位鉆孔抽采瓦斯，有效提高抽放量[5]。張景飛以平頂山礦區為研究對象，運用高位鉆場抽采采空區卸壓瓦斯，分析抽采數據，對抽采鉆孔進行量化，解決了上隅角瓦斯涌出問題[6]。根據貴州盤江礦區土城礦復雜地質條件，通過現場考察、數據分析及總結，得出高位鉆孔的終孔點距煤層頂板的垂距和距回風巷的平距，采用高位鉆場走向長鉆孔技術，進而解決采空區瓦斯向上隅角涌出的問題。

1工作面概況

土城礦13122采煤工作面位于13采區一水平井筒東翼，東至13122切眼，西至13120外上山，井下標高為1 643～1 698 m，高差為45 m。該工作面首采12#煤層，平均厚3.1 m，平均傾角為13°。12#煤層老頂為18～22 m厚細砂巖，致密堅硬，棱角狀斷口，斷面粗糙；直接頂為0.35 m厚粉砂巖，深灰色、薄層狀，致密堅硬；偽頂為0.03 m厚炭質泥巖；偽底為0.3～1.3 m厚的泥巖，灰色，團塊狀，質軟，頁理發育；直接底為1.3～3.1 m厚粉砂巖，薄層狀，松軟，局部過渡為泥質粉砂巖夾泥巖；老底為2.7 m厚細砂巖，灰色，中厚層狀，粗糙，堅硬，含鈣質，稍含灰色礦物，泥質膠結。

13122采面下部13124采面已開采，上覆9#、下覆13#煤層均未開采，距9#煤層42 m，距13#煤層14 m，經預測該工作面回采期間瓦斯涌出量為46.2 m3/min。工作面采用走向長壁后退式開采方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板，全負壓U型上行通風。

2裂隙帶高度的確定

煤層開采后，上覆巖層發生破壞和位移，經長期的現場觀測證實：覆巖破壞和位移具有明顯的分帶性，其特征與地質、開采等條件有關[7]。采用長壁全部冒落法開采緩傾斜煤層，當采深達到一定深度(100 m左右)，覆巖的破壞和移動出現3個具有代表性的部分，自下而上分別稱為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

根據13122采煤工作面頂板巖性的概況，結合表1中裂隙帶的計算公式，取α=13°,M=3.1 m，計算得出煤層開采后上覆巖層裂隙帶的最大高度為(23.8±3) m。

3走向長鉆孔設計

3.1高位鉆場布置及鉆孔設計

13122采面形成后，向回風巷待采煤體側，沿煤層頂板巖石掘一條傾角40°的斜巷。斜巷進入距煤層頂板垂高20 m時，在斜巷末端走向設鉆場平臺，鉆場平臺規格為5 m×3 m×2.5 m，待鉆場平臺施工結束后，采用2000型鉆機，配備φ113 mm鉆頭，向切眼方向施工鉆孔。根據理論分析裂隙帶的高度可知，鉆孔終孔點距12#煤層頂板垂高為24，27 m，鉆孔施工參數見表2。

表1　裂隙帶最大高度計算公式

注:ΣM為累計采厚；±為誤差；n為分層數

3.2封孔及觀測方式

鉆孔全部施工完成后，采用長3 m的4寸鐵管插入鉆孔，并用棉紗加瑪麗散封堵鐵管與孔壁周圍空隙；利用4寸埋絲管將鐵管連接分流器，通過分流器連接14寸主管至地面永久瓦斯泵房進行聯網抽采，在抽采過程中使用束管觀測法對單孔瓦斯濃度進行考察。

表2　鉆孔施工參數

4抽采效果分析

13122工作面11月5日開始試采，每個圓班正常回采3 m，本次鉆孔觀測日期為11月18日—12月17日，共30 d，采面回采推進95 m左右。在考察期間，觀測有效孔為10個，由于11#、12#孔內積水大，導致束管內積水，后期無法觀測。1#～10#鉆孔單孔回采過程中瓦斯濃度變化與煤層頂板垂高的關系見圖1。

圖1　鉆孔瓦斯濃度與煤層頂板垂距關系

從圖1可以看出，束管中瓦斯濃度是隨鉆孔距煤層頂板的高度變化而變化的，采面向前推進過程中，上覆巖層縱向裂隙向上發育，回采前期，由于采面推進長度短，覆巖縱向裂隙發育不到鉆孔施工高度，導致前期鉆孔瓦斯抽采濃度低，甚至抽不出瓦斯；隨著采面不斷向前推進，頂板大范圍垮落，縱向裂隙進一步向上發育，瓦斯濃度也隨之慢慢提升；當裂隙發育到鉆孔布置區內，鉆孔抽采瓦斯濃度最高。當鉆孔位置低于裂隙發育縱高時，抽采濃度開始下降。根據分析可以得出，在平距上回風巷往待采煤體側14 m位置，裂隙帶發育達到了23 m；平距在38 m位置時，裂隙發育為26 m；平距為49 m時，裂隙帶高度為27 m左右。隨著采面推進，呈弧形的鉆孔布置方式也開始不斷收斂，平距范圍也往回風巷靠近，導致推進一定長度后，鉆孔離開了裂隙帶瓦斯富集區內，致使鉆孔瓦斯濃度降低。結合煤層采高，本次考察12#煤層在受13°傾角的影響下，裂隙帶瓦斯富集區是煤層采高的8.7倍，平距發育距離為14 m，并呈斜梯形。

圖2為主管瓦斯濃度變化曲線。高位鉆場抽采期間主管混合流量一直保持在67m3/min左右，頂板裂隙瓦斯得到有效抽采，主管抽采濃度最高達到45%，濃度長期保持在30%左右，抽采純量約為20.1 m3/min，大大提高了抽采效率，保證了采面在回采期間上隅角及回風瓦斯降低至安全值以下。

5結論

(1)根據理論分析，結合試驗工作面的實際情況，計算得出煤層開采后上覆巖層裂隙帶的最大高度為(23.8±3) m。