大采高工作面裂隙帶抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化研究

黃建威

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦,山西 興縣 033602)

1 工作面概況

山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦井田東西寬約4.5 km，南北長(zhǎng)約22 km，面積88.643 5 km2，煤炭總資源/儲(chǔ)量2 444.20 Mt，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為70 年。煤類為氣煤。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，基本上為一走向南北，向西傾斜的平緩單斜，井田東部煤層底板標(biāo)高為900 m，西部煤層底板標(biāo)高為300 m，地層傾角7°～12°，平均9°. 礦井采用斜井開拓方式，劃分有兩個(gè)生產(chǎn)水平，采用上下分煤組大巷布置方式，一水平大巷布置在上層8#煤層中，標(biāo)高+700 m，目前布置有11、12、15三個(gè)采區(qū)；二水平大巷布置在下層13#煤層中，標(biāo)高+640 m，目前布置有21一個(gè)采區(qū)。

18205綜采工作面位于礦井12采區(qū)，為一水平下山采區(qū)工作面，回采煤層為8#煤，工作面可采走向長(zhǎng)2 094.2 m，采長(zhǎng)263.7 m，煤層厚度3.80～5.50 m，平均為4.7 m,煤層傾角5.0°～10.9°，平均9.4°. 該工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜采工藝，“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)，上行通風(fēng)方式，即皮帶巷進(jìn)風(fēng),瓦斯治理巷和材料巷回風(fēng)，全部垮落法管理采空區(qū)頂板，設(shè)計(jì)采高4.7 m，工作面實(shí)配風(fēng)量2 800 m3/min.

2 瓦斯抽采系統(tǒng)

1) 瓦斯抽采系統(tǒng)概況。

18205工作面采用移動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小流量、高負(fù)壓瓦斯抽采，移動(dòng)瓦斯抽采泵站位于18205瓦斯抽采硐室內(nèi)，硐室采用獨(dú)立通風(fēng)。瓦斯抽采泵站裝備有ZWY260/315-G水環(huán)式真空泵2臺(tái)(1用1備)，并設(shè)有2個(gè)容積均為87 m3的冷卻循環(huán)水池，抽采泵流量為260 m3/min，配套電機(jī)功率為315 kW，因8#煤層透氣性系數(shù)僅為0.082 m2/MPa2·d，低于0.1 m2/MPa2·d，屬難抽采煤層，在實(shí)際抽采過程中，本煤層鉆孔瓦斯抽采效果不佳。為有效利用抽采系統(tǒng)，該工作面采用裂隙帶抽采解決上隅角瓦斯問題，通風(fēng)系統(tǒng)采用“U+I”型，工作面通風(fēng)系統(tǒng)見圖1.

2) 裂隙帶瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化。

為解決采空區(qū)瓦斯大、上隅角瓦斯超限問題，該工作面應(yīng)用了頂板走向高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)，鉆孔前期作為鄰近層瓦斯抽采鉆孔使用，對(duì)上鄰近層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，后期作為裂隙帶瓦斯抽采鉆孔使用，對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。為保證抽采效果達(dá)標(biāo)，采用頂板走向鉆孔抽采瓦斯，鉆孔技術(shù)參數(shù)選取及抽采效果均需在實(shí)踐中總結(jié)，合理頂板走向鉆孔布置參數(shù)能有效提高瓦斯抽采效率，保證工作面抽采率達(dá)標(biāo)。

圖1 18205工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

為找到最優(yōu)的裂隙帶鉆孔抽采層位，工作面抽采初期的頂板走向鉆孔參考鄰近工作面瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，每隔15 m設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔，鉆孔終孔最高位置在煤層頂板61 m處，最低位置在煤層頂板49 m處，鉆孔長(zhǎng)95 m，鉆孔終孔徑取75 mm(鉆孔參數(shù)見表1).鉆孔布置剖面圖見圖2. 為確定鉆孔實(shí)際抽采效果，通過對(duì)距工作面60 m處的503#組鉆場(chǎng)1#—4#鉆孔單孔抽采參數(shù)連續(xù)觀測(cè)10天，工作面每天平均推進(jìn)5 m，最終得出了503#組鉆場(chǎng)各鉆孔濃度、流量變化情況(見圖3，圖4).

圖2 優(yōu)化前鉆孔布置剖面圖

圖3 優(yōu)化前濃度曲線圖

圖4 優(yōu)化前流量曲線圖

由圖3，圖4分析可以看出，鉆場(chǎng)距工作面60 m時(shí)，單孔瓦斯抽采濃度在10%以下，流量在0.15 m3/min以下，此時(shí)鉆孔終孔位置剛好在工作面煤壁線上部，裂隙不發(fā)育，瓦斯?jié)舛取⒘髁烤^低。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)鉆場(chǎng)距工作面50 m時(shí)，鉆孔單孔瓦斯抽采濃度、流量均有明顯上升趨勢(shì)，在鉆場(chǎng)距工作面30～40 m時(shí)，鉆孔單孔瓦斯抽采濃度達(dá)到峰值，4#鉆孔抽采效果較其他3個(gè)鉆孔好，最大瓦斯抽采濃度達(dá)33%，1#鉆孔抽采效果較其他3個(gè)鉆孔差，最大瓦斯抽采濃度為25%.同時(shí)，隨著鉆孔開孔位置距離工作面越來越近，并逐漸進(jìn)入頂板破碎帶內(nèi)，鉆孔瓦斯抽采濃度逐漸降低，瓦斯抽采流量不斷升高，最大可達(dá)0.33 m3/min，此時(shí)工作面距鉆場(chǎng)僅為15 m，瓦斯抽采效果逐漸降低。

因鉆孔終孔位置成弧形，1#鉆孔最靠近工作面煤柱，伸入工作面距離最小，而4#鉆孔伸入工作面距離最大。由此推斷，在一定范圍內(nèi)，鉆孔伸入工作面的距離越大，瓦斯抽采效果越好。按照此類鉆孔布置，工作面瓦斯抽采濃度平均為3.2%，抽采流量140 m3/min左右，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量13 m3/min左右，瓦斯抽采率34.5%，此時(shí)工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍?.4%～0.6%波動(dòng)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.3%左右，較未抽采前有明顯降低，表明高位鉆孔抽采有一定效果。

基于上述經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)研究論證并參照西山煤電集團(tuán)公司礦井高位裂隙帶鉆孔布置經(jīng)驗(yàn)，對(duì)18205工作面高位裂隙帶鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在增加鉆孔伸入工作面距離的同時(shí)，適當(dāng)減小了鉆孔終孔垂高，通過調(diào)整鉆孔開孔的傾角，使鉆孔呈鋸齒狀布置，鉆場(chǎng)間距保持15 m，每組鉆場(chǎng)布置5個(gè)鉆孔，鉆孔終孔最高位置在煤層頂板57.9 m處，最低位置在煤層頂板45 m處，鉆孔終孔徑取75 mm.鉆孔開孔位置在18205材料巷頂板上，距材料巷工作面幫不大于1 m，每組共施工5個(gè)鉆孔，鉆孔采用前后單排布置，同組兩鉆孔間距為0.5 m，鉆孔自南向北編號(hào)依次為1#、2#、3#、4#、5#.鉆孔參數(shù)見表2，對(duì)應(yīng)的剖面示意圖見圖5. 通過對(duì)距工作面60 m處的302#組鉆場(chǎng)1#—5#鉆孔單孔抽采參數(shù)連續(xù)觀測(cè)10天，工作面每天平均推進(jìn)5 m，最終得出了302#組鉆場(chǎng)各鉆孔濃度、流量變化情況(見圖6，圖7).

表2 瓦斯抽采鉆孔參數(shù)表

圖5 優(yōu)化后鉆孔布置剖面圖

圖6 優(yōu)化后濃度曲線圖

圖7 優(yōu)化后流量曲線圖

從圖6，圖7分析可以看出，鉆場(chǎng)距工作面60 m時(shí)，單孔瓦斯抽采濃度在10%以下，流量在0.1 m3/min以下，此時(shí)鉆孔終孔位置還未進(jìn)入或剛進(jìn)入工作面煤壁線以里，其所在位置裂隙不發(fā)育，瓦斯不算富集，鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛取⒘髁烤^低。隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔終孔位置處裂隙逐漸發(fā)育、瓦斯逐漸積聚，鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛取⒘髁烤诜€(wěn)步上升，在鉆場(chǎng)距工作面25～40 m時(shí)，鉆孔單孔瓦斯抽采濃度達(dá)到峰值，其中4#鉆孔抽采濃度最高，最大瓦斯抽采濃度達(dá)57%，1#鉆孔最大瓦斯抽采濃度為30%，相對(duì)于其他4個(gè)鉆孔較小。5個(gè)鉆孔終孔中，1#鉆孔最靠近工作面煤柱，伸入工作面距離約8 m，5#鉆孔伸入工作面距離最大，伸入距離為27 m. 因頂板冒落角暫無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參照防突規(guī)定中下保護(hù)層開采后卸壓角取值76°～81°，按照冒落規(guī)律最佳區(qū)域(濃度較高、氣源豐富范圍)一般在肩角處，確定鉆孔終孔位置內(nèi)錯(cuò)工作面30 m的范圍，抽采效果較好。按照此類鉆孔布置，移動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)抽采流量穩(wěn)定在160 m3/min以上，抽采濃度3.5%～3.9%，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為13 m3/min左右，瓦斯抽采率可達(dá)43.1%以上，而工作面上隅角瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.52%以下，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.25%左右，瓦斯抽采量提高了1 m3/min以上，表明鉆孔參數(shù)優(yōu)化后，瓦斯抽采效果提高明顯。

3 結(jié) 論

通過對(duì)裂隙帶鉆孔優(yōu)化前后單孔瓦斯抽采效果及瓦斯抽采系統(tǒng)抽采效果分析，可得出以下結(jié)論：

1) 18205工作面裂隙帶鉆孔終孔垂高為工作面采高9～13倍時(shí)，瓦斯抽采濃度較高，初步判斷該段層位屬于工作面裂隙帶瓦斯富集區(qū)，瓦斯抽采效果較為理想。

2) 18205工作面裂隙帶鉆孔伸入工作面內(nèi)錯(cuò)距離保持在30 m范圍內(nèi)，均勻布置，每組鉆孔間距保持15 m左右，可保證多組鉆孔同時(shí)抽采，能有效提高工作面瓦斯抽采率，保證抽采達(dá)標(biāo)，降低工作面回風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛龋ＷC安全生產(chǎn)。