蘭花寶欣煤業高位鉆孔抽放采空區瓦斯技術研究

張吉昌

(山西古縣蘭花寶欣煤業有限公司,山西 臨汾 042405)

1 工程概況

蘭花寶欣煤業3207綜采工作面設計為一進一回“U”型通風系統,煤層平均厚2.06 m,普氏系數f=2.0,煤層瓦斯含量6.32～7.56 m3/t,煤層層理中等發育,工作面采用綜采開采工藝、全部垮落法管理頂板。3號煤層綜采工作面處于瓦斯帶內,煤層瓦斯含量呈現不規律、波動變化幅度大等特征,回采期間通過調整通風量的方式來稀釋和排放瓦斯。由于采空區內瓦斯通過裂隙向回采面和上隅角涌出,造成上隅角瓦斯超限,影響工作面的安全生產。因此,3207綜采工作面回采期間瓦斯治理的重點為防治上隅角瓦斯超限,為避免出現上隅角瓦斯頻繁超限的問題展開相關研究。

2 上隅角瓦斯防治技術分析

上隅角瓦斯超限的主要治理措施為埋管抽放、走向高抽巷抽放、走向高位鉆孔抽放[1]。采用頂板高抽巷施工工期長、成本高,影響采掘接替,且投入成本高,對于集約化礦井推廣性較差;同時高抽巷受頂板垮落結構影響顯著,抽采效果不穩定,因此不考慮采用該種工藝。頂板走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯是一種高效、經濟的工藝,在3207工作面回采期間,若遇到后方采空區瓦斯涌入工作面或回風巷,引起工作面上隅角和回風巷風流瓦斯上升至0.5%以上,用通風方式無法有效解決的情況下,優先考慮使用該方法解決回風巷風流和上隅角瓦斯超限。在使用高位鉆孔抽采采空區垮落帶、裂隙帶內瓦斯仍然無法解決上隅角瓦斯超限的情況下,使用上隅角埋管抽放方式解決上隅角瓦斯。

3 工作面采場覆巖相關區帶劃分

3.1 豎三帶分布特征

煤層開采后,由于煤炭被開采運出,形成一個空間,煤層的覆巖頂板在自身的重力作用隨著煤層工作面的推進,會產生垮落、斷裂、下沉,頂板覆巖首先發生斷層破裂,在重力的作用下裂隙越來越大,破壞了原有的平衡,導致覆巖的偽頂和老頂發生離層或垮落,受采動影響導致垮落的巖體填充采空區,被壓實,重新達到平衡。根據上覆巖層內裂隙發育程度,至下而上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶[2],如圖1所示。

圖1 “三帶”示意

1) 垮落帶。垮落帶內巖層垮落,呈破碎狀堆積在采空區,孔隙率和滲透率成級數倍增加。區域內巖層在局部(兩側臨近“砌體梁”結構處、局部結構支撐處)離層發育明顯,但是突變很大,不穩定,區域內瓦斯濃度相對較低。根據上覆巖性的特征,煤層傾角以及采空區頂板管理方法等,按堅硬巖層來計算3207工作面垮落帶高度[3]:

(1)

蘭花寶欣煤業3207工作面開采煤層厚度為2.06 m,根據公式得出垮落帶的高度范圍Hm=7.63～12.62 m,平均高度為10.13 m.

2) 斷裂帶。斷裂帶是采空區上方一定高度范圍內的巖體發生冒落后,其上覆巖層將以梁或者懸臂梁的形式在層理面法線方向上發生比較大的彎曲和移動破壞,導致巖體內部出現大量離層裂隙以及與巖層垂直或斜交的裂隙,通稱裂隙帶或者斷裂帶,該區煤巖層破斷后,不會大面積垮落,脫離上部巖層,而是以整齊劃區的方式排列在一起,巖塊之間還是一個整體,只是裂隙較原始巖層有大幅提高;裂隙帶內巖層離層和穿層裂隙隨著周期來壓向上發育并相互貫通,形成瓦斯運移及匯聚的裂隙網絡。3號煤層老頂主要以砂巖為主,根據巖石巖性等因素對裂隙帶高度的影響,可采用以下公式按堅硬巖性計算裂隙帶Hl的高度。

(2)

計算得出裂隙帶的高度范圍Hl=37.16～54.96 m,平均高度為46.06 m.結合以上垮落帶高度可知裂隙帶平均高度應該在10.13～46.06 m范圍內。

3) 彎曲下沉帶。彎曲下沉帶位于裂隙帶之上,該部分巖層整體產生彎曲下沉,但其彎曲變形量較小,該部分巖體一般可以較好地保持其原有的完整性結構,不會產生相互連通的裂隙網絡,區域內沒能與采空區瓦斯通道連接,瓦斯抽采濃度較低。

3.2 橫三區特征及劃分

采用垮落法管理采空區頂板時,工作面回采一定距離后,采空區中部由垮落的破碎煤巖體充填完畢,在上覆巖層壓力作用下逐步壓實,導致該部分煤巖體內的裂隙閉合,在采空區中部區域形成“重新壓實區”,采空區四周邊界附近形成“O”型圈[4],如圖2所示,“O”型圈為瓦斯的解吸、運移、賦存提供良好條件。

圖2 導氣裂隙帶“O”型圈

為了能與理論計算結果形成相互驗證及更加精準地判斷采空區“O”形圈寬度,采用FLAC3D計算機數值模擬軟件,對三維情況下3207工作面開采時上覆巖層破壞后所形成的“O”形圈分布情況進行模擬,結果如圖3所示。

圖3 三維數值模擬結果

根據上述研究結果:高位定向鉆孔的布置層位在10.13～46.06 m范圍內,因此,選取工作面推進至400 m時,沿X-O-Y平面對其20 m、30 m、40 m三個層位的位移圖進行切片,結果如圖3所示,采空區中部下沉量達到2.06 m,表明該區域上覆巖層已與煤層底板接觸,形成重新壓實區,采空區水平方向形成了“O”型圈。“O”型圈在靠近工作面的平面上達到最大值,而隨著和煤層工作面垂直距離的增大,逐漸呈現減小的趨勢,這和煤巖體的卸壓角演化規律密切相關。同時,根據工作面不同推進距離下各層位位移切片云圖,采空區覆巖跨落后所形成的“O”型圈裂隙帶的寬度大致在26～39 m之間。

4 高位定向鉆孔設計及應用效果分析

4.1 高位鉆孔方案設計

基于頂板高位抽采鉆孔的布置原理可知,抽采技術的應用效果主要取決于鉆孔層位的合理布置,當抽采鉆孔布置在頂板裂隙帶內時,通過抽采負壓能夠實現將裂隙帶內高濃度瓦斯有效抽出的目的。根據以上“豎三帶”高度經驗計算,3207工作面裂隙帶最大發育高度10.13～46.06 m,頂板高位鉆孔理論計算的合理層位為距煤層頂板10.13～46.06 m之間。根據數值模擬結果,采空區覆巖跨落后所形成的“O”型圈裂隙帶的寬度大致在26～39 m之間,結蘭花梁煤礦的具體情況,高位鉆孔距離巷幫平距10～40 m之間較為合理。根據理論計算結果,同時考慮試驗不同層位鉆孔瓦斯抽采效果,對3207工作面1號鉆場的高位定向鉆孔的參數進行設計,鉆場布置于工作面里程600 m處,鉆場內設計施工5個高位鉆孔,層位為煤層頂板以上11～38 m,距回風巷幫17～37 m,其中垮落帶布置1個鉆孔1-2號,裂隙帶布置4個鉆孔1-1號、1-3號、1-4號、1-5號,設計鉆孔孔徑153 mm,鉆孔長度234～348 m,如圖4所示。

圖4 1號鉆場各鉆孔布置平剖圖

4.2 高位鉆孔抽采效果分析

在理論研究和數值模擬的基礎上,利用1號鉆場的定向鉆孔,觀測不同層位鉆孔在工作面回采過程瓦斯抽采流量及濃度的變化,從而確定采場裂隙帶高度和高位定向鉆孔的合理層位。1號鉆場服務期間,各高位定向鉆孔抽采瓦斯濃度隨時間變化規律如圖5所示。

圖5 1號鉆場高位定向鉆孔瓦斯抽采效果

1號鉆場的1-2號、1-3號鉆孔在聯抽初期,單孔最大瓦斯抽采濃度分別達到了14%和45%,但隨著工作面推進,其抽采效果急劇下降到較低水平,單孔抽采濃度基本保持在0.2%～3%之間,單孔平均純量僅有0.02～0.30 m3/min,故分析這2個鉆孔終孔層位處于頂板垮落帶巖層內,鉆孔隨工作面推進而隨垮落帶巖石垮斷,不適合布置高位定向鉆孔進行瓦斯抽采,頂板垮落帶最大高度在20 m左右,高位鉆孔垂直方向合理布置層位為20～40 m,水平布置位置為距巷道軸線15～40 m.1號鉆場5個鉆孔服務期間平均抽采濃度為5.43%,總的平均抽采純量為2.83 m3/min.高位鉆孔投入使用后,3207工作面上隅角瓦斯濃度基本穩定在0.2%～0.4%之間,未出現超限情況,實現了工作面的安全高效生產。

5 結 語

以蘭花寶欣煤業3207工作面為例,確定上隅角瓦斯防治以“高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔”的模式,數值模擬研究確定高位鉆孔水平方向應布置在26～39 m范圍內,抽采效果良好,上隅角、回風巷瓦斯濃度均小于0.5%,實現了工作面的安全生產。