綜放工作面高位裂隙帶鉆孔瓦斯抽放技術研究

朱 震

(河南能源化工集團義煤公司耿村煤礦，河南 義馬 472300)

引 言

綜放工作面頂煤移動過程中易出現采空區丟煤和遺煤現象，致使瓦斯聚集在支架上方和采空區上部。由于采空區空氣密度在鉛垂方向的不均勻性和瓦斯密度較空氣低的特性，在浮力的作用下，采空區聚集的瓦斯沿采動裂隙帶的裂隙通道上升，上升過程中不斷摻入周圍氣體，使混合氣體與周圍環境氣體的密度差逐漸減小，直到密度差達到零為止，瓦斯混合氣體便會聚集在裂隙帶中的巖體裂隙中。因此，研究垮落帶和裂隙帶的高度、裂隙帶瓦斯運移規律及頂板裂隙帶瓦斯抽放，對有效治理綜放面瓦斯問題具有十分重要的意義。

1 垮落帶和裂隙帶高度的確定

本文以耿村煤礦12150綜放工作面為例，根據工作面圍巖地質條件，利用UDEC數值計算模擬綜放面上覆巖層移動規律，模擬中煤層厚度取12150工作面平均煤厚8.5 m，開采后上方垮落帶和裂隙帶特征如圖1所示。

圖1 綜放面上方“三帶”數值模擬結果

12150綜放面煤層厚度3.93 m～13.22 m，平均厚度為8.5 m。根據耿村煤系地層為中硬巖層的特點，可以計算出12150綜放面垮落帶和裂隙帶高度。

垮落帶高度計算公式見式(1)。

=14.4(±2.2)(m)

(1)

裂隙帶高度計算公式見式(2)。

=33.7(±5.6)(m)

(2)

由此可見，12150綜放面頂板垮落帶和裂隙帶高度分別為14.4(±2.2)m和33.7(±5.6)m。

2 裂隙帶瓦斯運移規律

為研究耿村煤礦綜放開采過程中上覆巖層裂隙帶瓦斯運移規律，對12150綜放工作面瓦斯抽放鉆場進行了現場觀測。鉆場和鉆孔布置平剖面圖如第115頁圖2所示。

圖2 12150綜放面瓦斯抽放鉆場鉆孔布置示意圖

2019年6月至7月現場觀測內容包括鉆場抽放管路內瓦斯流量、濃度和負壓等，4個鉆孔按從外到里依次編號為1#、2#、3#和4#。第115頁圖3和圖4為鉆場內4個鉆孔抽放管路瓦斯濃度監測曲線，其中，瓦斯濃度為觀測期間每天鉆孔抽放平均瓦斯濃度。

從圖3和圖4可以看出，沿工作面傾向，瓦斯濃度呈現出一定的分布規律，越靠近工作面上隅角，瓦斯富集濃度越高。在觀測期間，1#、2#、3#、4#鉆孔最大瓦斯濃度分別為34.2%、15.2%、10.3%、6.4%。從觀測結果分析可以初步得出，隨著工作面的推進，受采動影響，支架上方頂煤開始破碎，頂板開始產生豎向裂隙，瓦斯在浮力作用下向頂板裂隙運移。同時，沿工作面傾向，瓦斯會有向上部運移的趨勢，在運移過程中，一部分瓦斯被風流帶走，一部分逐步向上隅角聚集，最終造成上隅角頂板裂隙瓦斯濃度較高。

圖3 1#和2#鉆孔抽放瓦斯濃度與觀測時間之間關系

圖4 3#和4#鉆孔抽放瓦斯濃度與觀測時間之間關系

3 裂隙帶鉆孔抽放瓦斯合理參數

3.1 鉆孔高度的確定

根據采空區頂板巖層移動“三帶”理論和采空區內瓦斯運移規律，鉆孔高度也應能保證抽放鉆孔均位于裂隙帶范圍內，故應滿足關系式：Hm

將垮落帶和裂隙帶高度計算式帶入上式，可得到鉆孔合理位置高度Hz：

3.2 鉆場間距的確定

根據綜放面上覆采動裂隙“O”形圈理論，“O”形圈為采空區瓦斯流動和貯存提供了通道和空間，是采空區瓦斯聚積的地方。如果長時間、高效率地抽放采空區的卸壓瓦斯，需要將抽放瓦斯鉆孔打到“O”形圈內。因此,鉆場的間距Lj為頂板周期來壓的整數倍見式(3)。

Lj=nL(n=1，2，…)

(3)

式中：Lj為鉆場的間距，m；L為頂板周期來壓步距，m。

礦壓觀測表明，12150綜放面采場中部周期來壓步距L為20 m，則高位鉆孔低位鉆場之間的合理距離Lj為20(n= 1，2，…)m。目前實際鉆場間距采用40 m。

3.3 鉆場鉆孔參數的確定

12150綜放面鉆場為矩形斷面，規格為深度5 m，寬度5 m，高度3 m。每個鉆場內沿采面推進方向反向布置4個高位鉆孔，孔口中心位置距鉆場底板1.5 m，間隔0.5 m，其中，第1#鉆孔孔口距鉆場里幫煤壁0.5 m，最外側一個鉆孔孔口距離回風平巷下幫煤壁3 m。瓦斯抽放鉆場布置如圖5和圖6所示。

圖5 瓦斯抽放鉆場布置平面圖

圖6 瓦斯抽放鉆場布置剖面圖

鉆孔孔底與放頂煤工作面位置之間關系計算過程如下：

1)鉆孔孔底與回風巷下幫水平距離[yi,計算公式見式(4)]

yi=Licosβsinθ+L0

(4)

式中：Li為鉆孔深度，m；β為鉆孔與水平面的夾角，仰角為正值、俯角為負值，(°)；θ為鉆孔與回風平巷軸線的水平夾角，(°)；L0為鉆孔孔口與巷道下幫水平距離，m。

2)沿巷道軸線方向鉆孔孔底與孔口水平距離[xi，計算公式見式(5)]

xi=Licosβsinθ

(5)

3)鉆孔孔底到煤層底板高度Hi計算見式(6)

Hi=Lisinβ+Licosβsinθtanα+H0

(6)

式中：H0為鉆孔孔口距煤層底板的高度，m；α為煤層傾角，(°)；

鉆孔仰角(傾角)和鉆孔與巷道軸線夾角，主要根據工作面煤層厚度進行適當調整，保證鉆孔終孔位置落在采空區的裂隙帶內，以便鉆孔內套管可以穩定地抽出裂隙帶內的高濃度瓦斯。每個鉆場的抽放鉆孔與前一個鉆場抽放鉆孔的搭接長度不少于20 m。

4)鉆孔封孔

高位鉆孔直徑Φ95 mm。選用長度6 m～8 m、直徑Φ85 mm鋼管作為封孔管，孔口用聚氨酯與毛巾布條密封固定。要求封孔長度不少于6 m，封孔位置距孔口不少于5 m。孔口用膨脹水泥砂漿糊嚴，防止漏氣。鉆孔內全長下入直徑Φ75 mm鋼管為套管，套管上的吸氣花眼孔徑不小于Φ15 mm，并且套管必須下到孔底，套管最前端拍扁，最后端20 m不打花眼。

鉆孔封好后用彈簧管將鉆孔內的套管與抽放主管路混合器連接好，每個鉆孔與混合器之間設流量計、測氣嘴、閘門等，抽放管路沿途設放水器及放碴器，以免煤層內的水、碎煤等進入抽放管。當鉆孔與工作面采空區透氣后，打開支管閥門進行抽放瓦斯。每個鉆孔支管設觀測孔以便進行瓦斯和CO濃度測試，發現失效的低濃度瓦斯抽放鉆孔和采空區自然發火征兆的鉆孔時及時進行關閉。

4 瓦斯治理效果

1)抽放瓦斯量的計算

根據相鄰的12170工作面的抽放經驗，在12150工作面可采地段的布孔，取百米鉆孔抽放量為0.23 m3/min，取成孔率80%，結合鉆孔分布計算抽放流量如下：

回風平巷：系統累計長度1 700 m，封孔長度為6 m，則抽放量Q1為：

= 3.2(m3/min)

鉆場接替期間，兩鉆場同時抽放，達到抽放高峰期。抽放系統共8個鉆孔，總有效孔長1 700 m，抽放泵入口瓦斯濃度按50%計算，則最大抽放混合流量為6.4 m3/min。

2)抽放率計算

系統最大抽放量的抽放率d計算見式(7)。

(7)

式中：d為工作面抽放率，%；Qc為工作面最大瓦斯抽放量，m3/min，取值4.1 m3/min；Qy為抽放期間工作面瓦斯涌出量，m3/min，取值4.5 m3/min。

經過計算可得抽放系統最大抽放率d為47.67%。

5 結語

通過對垮落帶和裂隙帶的確定，以及對裂隙帶瓦斯運移規律的分析，結合實際情況布置低位鉆場高位鉆孔進行瓦斯抽放，工作面瓦斯得到了有效的治理，起到了較好的瓦斯治理效果，保證了工作面安全順利回采，回采期間未發生瓦斯事故，確保了礦井的安全生產。同時，在現場實際生產過程中，還需要根據實際情況及時調整相關的技術參數及措施，確保瓦斯抽放效果達到預期目的。