天池煤礦401工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)研究

張 華 劉振嶺，2 姚 飛

（1.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

天池煤礦401工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)研究

張 華1劉振嶺1，2姚 飛1

（1.山西和順天池能源有限責(zé)任公司，山西省晉中市，032700；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

針對天池煤礦401工作面煤層瓦斯含量較大的問題，提出利用煤層預(yù)抽平行鉆孔及高抽巷等方法來解決瓦斯對工作面回采時的影響。通過現(xiàn)場實測，分析得到了煤層瓦斯平行鉆孔合理的間距及預(yù)抽時間。基于采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化規(guī)律，得出高抽巷合理的布置參數(shù)。實踐表明：平行鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯后，瓦斯含量降低至8 m3／t以下；利用高抽巷抽采卸壓瓦斯，抽采濃度為50.4%，抽采瓦斯純量平均67.3 m3／min；工作面瓦斯抽采率71.2%～85.49%，平均80.42%，回采期間未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

鉆孔預(yù)抽 橢拋帶 高抽巷 瓦斯綜合抽采 天池煤礦

1 概述

山西和順天池煤礦位于和順縣城南17 km的喂馬鄉(xiāng)，生產(chǎn)能力120萬t／a。礦井采用抽出式通風(fēng)方式，利用主斜井、副斜井、專用進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，通風(fēng)系統(tǒng)為中央分列式。401工作面位于礦井四采區(qū)，主采15＃煤層，走向長1435 m，傾斜長180 m，采高2.6 m，煤厚4.05～4.86 m，平均4.5 m，傾角3～15°，平均7°。工作面老頂為4.9～15.82 m的中砂巖，直接頂為2.38～3.2 m的泥巖，直接底為2.4～6.4 m的鋁質(zhì)泥巖，老底為2.67～4.38 m的粉泥巖。工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化回采工藝，全部冒落法管理頂板。401工作面煤層瓦斯含量9.19～13.11 m3／t，甲 烷 含 量 為 77.36% ～94.55%，天池煤礦原始瓦斯含量測試結(jié)果如表1所示。

表1 天池煤礦原始瓦斯含量測試結(jié)果

2 順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯技術(shù)

401工作面煤層瓦斯含量較高，為減小回采時的瓦斯涌出量，礦井主要采用順層鉆孔來預(yù)抽本煤層瓦斯。

2.1 煤層預(yù)抽可行性分析

研究表明：本煤層瓦斯預(yù)抽的可行性及其效果主要取決于煤層的透氣性及鉆孔衰減參數(shù)，通過對天池煤礦401工作面煤層透氣性系數(shù)及其鉆孔衰減系數(shù)進(jìn)行了測定及計算，得到煤層透氣性系數(shù)為0.859954～0.8826 m2／ （MPa2·d），鉆孔衰減系數(shù)為0.0106～0.0363 d-1，天池煤礦15＃煤層瓦斯抽采程度屬于可以抽采 （根據(jù)本煤層預(yù)抽瓦斯難易程度分類，可以抽采時，煤層透氣系數(shù)10～0.1 m2／（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.003～0.05／d）。

2.2 鉆孔合理預(yù)抽間距及時間的確定

煤層瓦斯合理預(yù)抽期指的是在預(yù)抽方式和預(yù)抽鉆孔參數(shù)條件下，達(dá)到預(yù)定瓦斯抽采效果所需的預(yù)抽時間。合理預(yù)抽期是一個受多種因素影響的變量，在預(yù)抽方式一定時，預(yù)抽鉆孔實際瓦斯抽采率受百米鉆孔初始抽采量、煤層透氣性系數(shù)、鉆孔密度、鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)、鉆孔長度和煤層原始瓦斯含量等因素影響?？紤]上述因素影響的鉆孔實際瓦斯抽采率由式 （1）確定：

式中：ηs——預(yù)抽鉆孔實際瓦斯抽采率；

qc0——100 m 鉆孔初始瓦斯抽采量，m3／ （min·hm）；

b——鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)，1／d；

t——預(yù)抽鉆孔平均預(yù)抽時間，d；

L1——預(yù)抽鉆孔平均單孔等效長度，m；

W0——煤層原始瓦斯含量，取13.11 m3／t；

L0——工作面長度，取180 m；

d1——巷道預(yù)排瓦斯等值寬度，取10.5 m；

m0——煤層厚度，取4.5 m；

r——煤的密度，取1.39 t／m3；

z——預(yù)抽鉆孔間距，m；

k——預(yù)抽鉆孔布孔方式系數(shù)，雙向布孔取2。

在401工作面進(jìn)風(fēng)巷道選取4個鉆孔進(jìn)行百米鉆孔初始瓦斯抽放量及鉆孔瓦斯抽放量衰減系數(shù)測定，測試結(jié)果如表2所示。

表2 鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)

一般煤層瓦斯預(yù)抽效果及預(yù)抽期與鉆孔布置間距密切相關(guān)，為合理確定401工作面煤層瓦斯合理預(yù)抽期，將預(yù)抽鉆孔間距為2 m、2.5 m、3 m和3.5 m以及上述參數(shù)代入式 （1），不同時間的預(yù)抽率如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)鉆孔間距分別為2 m、2.5 m、3 m和3.5 m時，合理的預(yù)抽期為180 d、180 d、210 d和240 d，相應(yīng)的預(yù)抽率為41.8%、33.6%、28.0%以及24.0%。根據(jù)天池煤礦的實際條件，最終選擇鉆孔間距為2～2.5 m。

圖1 不同時間及鉆孔間距下的預(yù)抽率

2.3 工作面密集平行長鉆孔預(yù)抽鉆孔布置方式

401工作面布置密集平行長鉆孔，鉆孔長度為100 m，鉆孔間距2～2.5 m，鉆孔直徑為75 mm，開孔位置距巷道底板1.2 m，進(jìn)風(fēng)巷道終孔點位于煤層中部偏下0.1 m，回風(fēng)巷道終孔點位于煤層中部偏上0.1 m，與回風(fēng)巷道夾角90°，鉆孔的傾角隨煤層的變化而變化。鉆孔的合理封孔深度為7～8.5 m；封孔時采用賽福特進(jìn)行封孔，并在抽采管前端2 m處打篩孔，保證封孔深度不小于8 m；在保證封孔質(zhì)量的條件下，適當(dāng)提高抽采負(fù)壓，是提高抽采效果的有效措施之一，根據(jù)對現(xiàn)場實際觀測結(jié)果的分析，確定抽采負(fù)壓15.5～24 kPa。

3 高抽巷抽采卸壓瓦斯技術(shù)

401工作面是在上部鄰近層沒有開采的情況下直接開采15＃煤層，工作面采過后，鄰近層大量卸壓的瓦斯會沿著采動裂隙涌入工作面。因此，401工作面可利用頂板走向高抽巷抽采鄰近煤巖層及采空區(qū)中的瓦斯。現(xiàn)場經(jīng)驗表明，高抽巷抽取瓦斯的效果很大程度上決定于其所處位置。

3.1 401工作面高抽巷抽采瓦斯布置參數(shù)的確定

研究表明，高抽巷的布置參數(shù)與采動裂隙帶的動態(tài)演化有關(guān)，一般隨綜放面推進(jìn)采動裂隙帶在空間上產(chǎn)生形似橢圓拋物面的外部邊界，稱為外橢拋面；當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，位于采空區(qū)中部的覆巖采動裂隙基本被壓實，其邊界稱為內(nèi)橢拋面；在整個采空區(qū)上覆巖層中，內(nèi)外橢拋面之間形成了類似帽狀的采動裂隙帶，將其稱為橢圓拋物帶 （簡稱橢拋帶）。根據(jù)采動裂隙橢拋帶中瓦斯運(yùn)移的形態(tài)，得知在采動裂隙橢拋帶上部離層裂隙發(fā)育區(qū)漂浮并聚集了大量的瓦斯，在其周邊破斷裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)則有大量的游離瓦斯運(yùn)移，如將高抽巷布置于采動裂隙橢拋帶內(nèi)，高抽巷通過抽采高濃度瓦斯，切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道，對采空區(qū)下部瓦斯起到拉動作用，從而減少瓦斯向工作面涌出，控制上隅角瓦斯積聚。

因此，401工作面高抽巷與煤層頂板及回風(fēng)巷距離按式 （2）、（3）確定：

式中：h高——走向高抽巷與煤層頂板的垂距，m；

h1——內(nèi)橢拋面高度，401工作面為20 m左右；

β——煤層傾角，取8.5°；

Δh——防止高抽巷破壞安全保險高度，2～3倍采高，約8.8～13.2 m。

式中：S——與回風(fēng)巷平距，m；

α——回風(fēng)巷附近斷裂角，取約64°；

Δs——高抽巷伸入裂隙帶水平投影長度，不小于11 m。

根據(jù)式 （2）、（3）計算，走向高抽巷應(yīng)在15＃煤層頂板28～33 m，距回風(fēng)巷平距不小于28～32 m合適。

3.2 高抽巷布置方式

401工作面頂板瓦斯走向高抽巷與回風(fēng)巷之間的平距約30 m左右，與煤層頂板間距約20～30 m。斷面為半圓拱形，凈寬×凈高為2.4 m×2.4 m。采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿規(guī)格為?20 mm×1800 mm，間排距為800 mm×800 mm。考慮到初采期垮落范圍小，裂隙不發(fā)育，根據(jù)采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化規(guī)律，401工作面優(yōu)化了初采期的高抽巷布置，當(dāng)其施工至切眼60 m時，開始變坡下彎施工至回風(fēng)巷上隅角。高抽巷布置如圖2所示。

圖2 高抽巷布置示意圖

4 401工作面瓦斯綜合抽采效果分析

4.1 平行鉆孔預(yù)抽效果分析

選取401工作面距切眼600 m的區(qū)域作為考察區(qū)域，該區(qū)域經(jīng)過抽采后，回采時所測的瓦斯含量如表3所示，由表3可知，抽采后瓦斯含量均小于8 m3／t，達(dá)到了預(yù)抽效果。

4.2 高抽巷抽采效果分析

根據(jù)401工作面現(xiàn)場觀測，2011年2月-8月高抽巷抽采瓦斯量、瓦斯抽采濃度隨時間變化如表4所示。表4顯示，2011年2月-8月，高抽巷瓦斯抽采濃度為38.40%～64.32%，平均50.4%，抽采瓦斯純量為45.38～83.99 m3／min，平均67.3 m3／min，月累計抽采量為137.5～373.05萬 m3，平均為282.81萬m3，保證了工作面的安全 生產(chǎn)。

表3 抽采后可解吸瓦斯含量m3／t

表4 401工作面高抽巷抽采量統(tǒng)計表

4.3 401工作面綜合抽采效果分析

預(yù)防瓦斯超限、確保安全回采，達(dá)到一定的抽采率是關(guān)鍵。根據(jù)401工作面2011年2月-8月份瓦斯抽采量 （預(yù)抽及高抽巷抽采）和風(fēng)排瓦斯量來計算瓦斯抽采率。401工作面2011年1月開始回采，2月份進(jìn)入正式回采，正式回采期間瓦斯涌出量、抽采量及抽采率如表5所示。

表5 401工作面平均瓦斯抽采率統(tǒng)計

據(jù)表5可知，401工作面瓦斯抽采率達(dá)到了71.2%～85.49%，平均80.42%，較高的瓦斯抽采率保證了采面回采的安全性，正式回采期間工作面未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）天池煤礦401工作面煤層透氣性系數(shù)為0.859954～0.8826 m2／MPa2·d，鉆孔衰減系數(shù)為0.0106～0.0363／d，煤層瓦斯抽采程度屬于可以抽采。

（2）通過現(xiàn)場實測及計算，當(dāng)鉆孔間距分別為2 m、2.5 m、3 m和3.5 m時，合理的預(yù)抽期為180 d、180 d、210 d和240 d。根據(jù)天池煤礦的實際條件，最終選擇平行鉆孔間距2～2.5 m，長度100 m，直徑75 mm。

（3）基于采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化規(guī)律，結(jié)合高抽巷布置參數(shù)原則，得出401工作面高抽巷應(yīng)在15＃煤層頂板28～33 m，距回風(fēng)巷平距不小于28～32 m較為合適。

（4）通過布置平行鉆孔預(yù)抽，回采時煤層瓦斯含量均小于8 m3／t；高抽巷瓦斯抽采濃度為38.40%～64.32%，平均50.4%，抽采瓦斯純量為45.38～83.99 m3／min，平均67.3 m3／min；工作面瓦斯抽采率達(dá)到了71.2%～85.49%，平均80.42%，保證了采面回采的安全性。

［1］張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù) ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001

［2］孛國良，湯達(dá)禎.大寧煤礦水平長鉆瓦斯預(yù)抽及對小斷層的預(yù)測 ［J］.中國煤炭，2007（3）

［3］王兆豐，楊利平，田坤云.焦作礦區(qū)煤層瓦斯合理預(yù)抽期的研究 ［J］.煤礦開采，2007（1）

［4］李樹剛.綜放開采圍巖活動及瓦斯運(yùn)移 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000

［5］李樹剛，林海飛.采動裂隙橢拋帶分布特征的相似模擬實驗分析 ［J］.煤，2008（2）

［6］李華煒，劉玉德等.綜放面覆巖移動與裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律及瓦斯抽采工程實踐 ［J］.中國煤炭，2010（11）

Study on the comprehensive degasification technology in 401 working face of Tianchi coal mine

Zhang Hua1，Liu Zhenling1，2，Yao Fei1
（1.Shanxi Heshun Tianchi Energy Co.Ltd.，Jinzhong，Shanxi 032700，China；2.School of Energy Engineering，Xi＇an University of Science ＆ Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China）

In view of the problems associated with high concentration of methane at the 401 working face in Tianchi Coal Mine，degasification methods of parallel borehole and high drainage roadways have been proposed to reduce working face gas concentrations.The distance and pre-extraction time of parallel boreholes on coal seams have been analyzed by field measurement.The arrangement parameters of high drainage roadways have been obtained by the dynamic evolution laws of Elliptic Paraboloid Zone.The practice results showed that the methane content has reduced to 8m3／t using the pre-degasification parallel borehole methods.Degasification concentration is approximately 50.4%using high drainage roadways.Gas drainage quantity is 67.3m3／min.Degasification rate is 71.2%～ 85.49%and average is 80.42%on working face.Maximum Gas concentration limits did not occur during the backstopping.

borehole pre-degasification，Elliptic Paraboloid Zone，high drainage roadway，methane comprehensive degasification，Tianchi coal mine

TD712.6

A

張華 （1969-），男，山東汶上人，工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)任兗礦山西天池公司董事長、總經(jīng)理，一直從事工程技術(shù)及管理工作，曾發(fā)表論文多篇。

（責(zé)任編輯 張艷華）