大直徑定向長鉆孔在工作面瓦斯抽采中的應(yīng)用

景建鵬

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概述

山西焦煤西山煤電集團公司馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，設(shè)計年生產(chǎn)能力400 萬t，井田面積104.4 km2。本文研究對象為8#煤層的18506工作面，工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，南側(cè)18504 工作面已回采完畢，北側(cè)為規(guī)劃的18508 工作面，兩巷均開口于南五下組煤輔運大巷，進風(fēng)巷南側(cè)實體間隔19.0 m 為18504 回風(fēng)巷。18506 工作面推進長度1150 m，傾斜長度158 m，煤層均厚4.5 m。工作面所采煤層為石炭系太原組8 號煤層，煤層厚度3.80～4.80 m，平均4.43 m，結(jié)構(gòu)1.20（0.20）3.03，普氏硬度2.0。8#煤瓦斯相對涌出量最大可達11.6 m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量最大達到58.8 m3/min，屬高瓦斯礦井。馬蘭礦8#煤層采煤工作面采用高抽巷及上隅角埋管技術(shù)進行采空區(qū)瓦斯的抽采，臨近18504 工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛葦?shù)次超限，影響礦井生產(chǎn)效率。因此，本文以18506 工作面為背景，展開采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)的研究。

2 瓦斯抽采機理

2.1 頂板覆巖采動裂隙分布特征及“O”形圈形成過程

采煤工作面回采后，采空區(qū)覆巖將逐漸破壞，根據(jù)破壞程度的不同，在垂直方向可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶由巖層破碎、垮落堆積而成，巖塊間存在大量空間和空隙；裂隙帶內(nèi)各巖層間離層裂隙發(fā)育，且各個巖層破斷形成豎向穿層裂隙。綜上所述，冒落帶及裂隙帶內(nèi)均存在采空區(qū)卸壓瓦斯的流通通道及賦存空間。工作面回采期間，后方采空區(qū)覆巖需經(jīng)歷破斷冒落、重新壓實兩個階段，在水平方向?qū)⑿纬擅罕谥斡绊憛^(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)。在原切眼、停采線及工作面端附近采空區(qū)均存在煤壁支承影響區(qū)，該區(qū)域頂板巖層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。在工作面中部，垮落的巖石在豎直方向上充滿采空區(qū)，在地應(yīng)力作用下，該部分巖石重新壓實，內(nèi)部空隙及縫隙量較少，該區(qū)域為重新壓實區(qū)。在采空區(qū)邊緣附近，巖層內(nèi)離層裂隙及豎直裂隙發(fā)育，且未受到重新壓實的作用，該區(qū)域為瓦斯提供良好的流動空間，切眼、停采線及采空區(qū)兩側(cè)的離層區(qū)貫通形成一個連通的環(huán)形圈，即離層區(qū)“O”形圈。采空區(qū)“O”形圈形成過程如圖1所示。

圖1 采空區(qū)“O”形圈示意圖

2.2 高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯機理

高位鉆孔及高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯機理相似。未采取措施進行采空區(qū)瓦斯抽采條件下，在工作面通風(fēng)風(fēng)流影響下，上隅角附近瓦斯?jié)舛冗_到最大，采空區(qū)瓦斯在工作面漏風(fēng)風(fēng)流的影響下，同樣匯集在上隅角附近，因此上隅角瓦斯是工作面瓦斯治理的關(guān)鍵區(qū)域。瓦斯質(zhì)量較小，采空區(qū)遺煤解吸出的瓦斯逐漸上浮，聚集在采空區(qū)裂隙帶內(nèi)，通過高位鉆孔進行負(fù)壓抽采可有效降低采空區(qū)瓦斯，從而減小采空區(qū)瓦斯向上隅角匯集。未抽采及高位鉆孔抽采條件下上隅角瓦斯流場如圖2 所示。根據(jù)高位鉆孔抽采原理可知，將鉆孔布置在垂直方向上的裂隙帶及水平方向的離層區(qū)“O”形圈內(nèi)，可最大限度地抽采采空區(qū)瓦斯。

圖2 頂板抽采前后上隅角瓦斯流場示意圖

3 采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征研究

為掌握馬蘭礦18506 工作面頂板覆巖采動裂隙具體分布特征，采用3DEC 模擬軟件進行模擬研究。根據(jù)18506工作面詳細(xì)的地質(zhì)條件及開采技術(shù)條件，設(shè)計數(shù)值模型長度為300 mm，厚度為5 m，高度為90 m。工作面沿模型長度方向推進，距離模型左側(cè)邊界20 m 處為開切眼，工作面共開挖120 m，煤層厚度4.5 m，底板巖層總厚度10 m，上覆巖層厚度75 m。工作面由模型左側(cè)20 m 處開始回采，回采前20 m 不放煤，推進步距為4 m，觀察不同回采距離條件下覆巖垮落狀態(tài)，給出典型的結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層開始出現(xiàn)垮落、彎曲下沉等現(xiàn)象，隨著采空區(qū)長度的增大，上覆巖層冒落的范圍和高度也逐漸增大。工作面推進36 m 時，一部分直接頂垮落，一部分彎曲下沉，還有一小部分無明顯破壞現(xiàn)象；工作面推進72 m 時，直接頂及上部兩層較薄的巖層均已冒落，老頂出現(xiàn)明顯的彎曲下沉，冒落高度約為16.5 m，裂隙帶高度為20.4 m；工作面推進100 m 時，一部分老頂發(fā)生冒落，冒落高度約為18.5 m，裂隙帶高度為33.5 m；工作面推進120 m 時，老頂垮落后又發(fā)生重新壓實現(xiàn)象，上覆巖層冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度與工作面推進100 m 差別不大，冒落高度約為19.0 m，裂隙發(fā)育高度約35.0 m。綜上可初步認(rèn)定馬蘭礦18506 工作面冒落帶及裂隙帶發(fā)育高度分別為19.0 m、35.0 m。根據(jù)采空區(qū)覆巖垮落運移規(guī)律，可初步確定沿工作面推進（長度）方向，離層區(qū)“O”形圈范圍為距離采空區(qū)邊緣10～40 m，根據(jù)切眼及工作面停采處覆巖的垮落狀態(tài)，確定覆巖的垮落角為60°。

4 大直徑定向長鉆孔抽采參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用

根據(jù)大直徑定向長鉆孔抽采機理可知，應(yīng)將長鉆孔水平段布置在采空區(qū)邊緣形成的“O”型圈內(nèi)，即水平方向應(yīng)將鉆孔布置在離層區(qū)內(nèi)，垂直方向應(yīng)布置在裂隙帶內(nèi)。根據(jù)采空區(qū)覆巖運移規(guī)律可初步確定定向長鉆孔的布置層位，通過相關(guān)的計算理論可準(zhǔn)確確定相關(guān)參數(shù)。大直徑鉆孔布置高度H 應(yīng)當(dāng)滿足[1]：

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hd為裂隙帶高度，m；

馬蘭礦18506 工作面冒落帶高度：

馬蘭礦18506 工作面裂隙帶高度：

18506 工作面采高取4.43 m，代入上式計算可得Hm=15.0～20.0 m，Hd=35.9～47.1 m。結(jié)合前文數(shù)值模擬計算結(jié)果，確定馬蘭礦18506 工作面采空區(qū)上覆巖層裂隙帶高度為20.0～35.0 m，確定大直徑長鉆孔垂直層位為距8#煤層底板30 m。

抽采鉆孔內(nèi)錯回風(fēng)巷的距離應(yīng)當(dāng)滿足[2-3]：

式中：α 為煤層傾角，°；β 為覆巖垮落角，°；X 為工作面傾斜長度，m。

18506 工作面傾角為3°，覆巖垮落角為60°，工作面長度為200 m，由（4）計算得到大直徑長鉆孔與回風(fēng)巷水平距離應(yīng)在12.74～66.7 m 范圍內(nèi)。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，鉆孔與回風(fēng)巷水平距離應(yīng)在13～45 m 范圍內(nèi)。

根據(jù)研究結(jié)果，對馬蘭礦18506 工作面大直徑長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)進行設(shè)計。鉆孔布置：距離底板30 m，與18506回風(fēng)巷水平距離為15～40 m，間距5.0 m，共6 個鉆孔。鉆孔直徑153 mm，通過鋼絲纏繞管與DN500 抽采支管相連，鉆孔施工采用ZDY12000 型大功率鉆機。大直徑長鉆孔平面布置圖如圖4 所示。

5 應(yīng)用效果考察

18506 工作面投入生產(chǎn)后，監(jiān)測各個鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛燃俺椴杉兞浚玫匠椴芍Ч軆?nèi)瓦斯?jié)舛入S時間變化的規(guī)律如圖5（a）所示。抽采瓦斯?jié)舛炔▌臃秶鸀?4.1%～21.8%，整體無明顯下降趨勢，基本穩(wěn)定在17.5%左右。抽采瓦斯純量隨時間變化的規(guī)律如圖5（b）所示，抽采早期，抽采純量由11.4 m3/min 增大至22.0 m3/min，而后又逐漸減小并穩(wěn)定在17.4 m3/min 左右。綜上可知，大直徑長鉆孔抽采效果良好。馬蘭礦18506 工作面回采期間瓦斯涌出量28 m3/min，大直徑長鉆孔抽采量占總量的62.1%，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.4%左右，有效控制了上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

圖4 大直徑定向鉆孔布置平面圖

圖5 大直徑長鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

6 結(jié)論

馬蘭礦8#煤層采煤工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，采用走向高抽巷抽采效果不佳，因此設(shè)計采用走向大直徑定向長鉆孔代替高抽巷。通過分析探討采空區(qū)覆巖運移垮落規(guī)律及走向長鉆孔抽采機理，提出長鉆孔的合理布置方位，采用3DEC 模擬軟件具體分析18506 工作面覆巖運移特征，結(jié)合理論分析計算結(jié)果，確定長鉆孔垂直布置層位為距工作面底板30 m，與回風(fēng)巷水平距離為15～40 m。現(xiàn)場應(yīng)用期間監(jiān)測結(jié)果表明，長鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在17.5%左右，抽采瓦斯量占工作面總涌出量的62.1%，消除了上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象，取得了良好的抽采及上隅角瓦斯治理效果。