黃白茨煤礦9#、10#近距離煤層綜合瓦斯治理技術(shù)

陳賓

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037)

黃白茨煤礦9#、10#近距離煤層綜合瓦斯治理技術(shù)

陳賓

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037)

針對(duì)黃白茨煤礦9#和10#近距離煤層開采時(shí)的瓦斯超限問題，在分析9#煤層開采底板破裂規(guī)律、對(duì)其開采頂板三帶進(jìn)行數(shù)值模擬以及確定工作面瓦斯來源的基礎(chǔ)上，提出9#煤層采前定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽、開采期間頂板走向高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采，10#煤層卸壓攔截抽采、采面采掘期間上下順槽上向鉆孔抽采及兩煤層采空區(qū)埋管抽采的綜合瓦斯治理技術(shù)方案。效果分析結(jié)果表明，正常通風(fēng)情況下，9#煤層回風(fēng)巷、上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別保持在0．36%和0．50%左右。該方案有效解決了9#和10#近距離煤層開采時(shí)的瓦斯涌出問題，為類似礦井的瓦斯治理提供了參考。

瓦斯治理;近距離煤層;定向長(zhǎng)鉆孔;高位水平長(zhǎng)鉆孔;卸壓攔截抽采

收稿日期:2012－12－19
第一作者簡(jiǎn)介:陳 賓(1981－)，男，山西省運(yùn)城人，工程師，碩士，研究方向:采礦工程，E-mail:binchenaust@163．com。

神華集團(tuán)烏達(dá)黃白茨礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下 簡(jiǎn)稱黃白茨煤礦)隸屬于神華烏海能源有限公司，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)西部烏海市，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，服務(wù)年限為52 a。該礦主采的9#和10#煤層層間距約為3.5 m，兩煤層相對(duì)瓦斯含量均達(dá)到8 m3/t左右，局部區(qū)域達(dá)到11 m3/t左右。目前，該礦先行開采上覆的9#煤層。由于兩煤層距離較近，9#煤層開采時(shí)，除本煤層瓦斯涌出外，其下伏的10#煤層會(huì)有大量的卸壓瓦斯涌至9#煤層工作面，造成工作面瓦斯超限，給安全生產(chǎn)帶來隱患。為有效治理9#煤層開采時(shí)的瓦斯超限問題，根據(jù)該礦地質(zhì)條件，分析9#煤層開采頂?shù)装迤屏岩?guī)律，確定工作面瓦斯來源，并在此基礎(chǔ)上提出有效的瓦斯抽采方法。

1 開采頂?shù)装迤屏岩?guī)律及瓦斯來源

1．1 開采底板破壞裂隙規(guī)律

9#煤層開采時(shí)工作面的四個(gè)應(yīng)力區(qū)帶中，沿工作面推進(jìn)方向，瓦斯?jié)B流能力的變化為，原始滲流區(qū)(原始應(yīng)力區(qū))→滲流減速減量區(qū)(壓縮區(qū))→滲流急劇增速增量區(qū)(卸壓膨脹陡變區(qū))→滲流平穩(wěn)增速增量區(qū)(卸壓膨脹平穩(wěn)區(qū))[1]，如圖1所示。

圖1 煤層開采時(shí)底板應(yīng)力與破壞裂隙分布規(guī)律Fig．1 Floor stress and crack distribution law when exploiting coal seam

由圖1可知，煤柱區(qū)煤層底板應(yīng)力一直處于上升(增壓)狀態(tài)，底板煤巖體處于壓縮狀態(tài);而在采空區(qū)下方底板應(yīng)力總是處于下降(卸壓)狀態(tài)，底板煤巖體處于膨脹狀態(tài)，且隨著工作面推進(jìn)重復(fù)出現(xiàn)。在壓縮區(qū)與膨脹區(qū)的交界處，底板巖體容易產(chǎn)生剪切變形而發(fā)生剪切破壞;處于膨脹狀態(tài)的底板巖體則容易產(chǎn)生離層裂隙及破斷裂隙。所以，巖體在煤柱邊緣區(qū)內(nèi)最容易產(chǎn)生裂隙并發(fā)生破壞。煤層底板受開采礦壓作用，巖層連續(xù)受到周期性破壞，其底板導(dǎo)氣性也發(fā)生明顯變化，下部卸壓瓦斯將沿著裂隙以擴(kuò)散和滲流的方式進(jìn)入上部采掘作業(yè)空間[1－2]。

1.2 開采頂板三帶數(shù)值模擬

9#煤平均厚度為2.19 m，傾角10°，頂板為黏土巖，底板為頁巖，容重1.3 t/m3;10#煤平均厚度為2 m，傾角10°，頂板為黏土巖，底板為砂質(zhì)頁巖，容重1.45 t/m3。利用ANSYS大型有限元軟件對(duì)9#煤層工作面開采時(shí)的頂板三帶高度進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力變化判斷垮落帶、斷裂帶、整體彎曲下沉帶的范圍。圖2為工作面推進(jìn)170 m時(shí)的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及剪應(yīng)力云圖。

圖2 工作面推進(jìn)170 m時(shí)的應(yīng)力云圖Fig．2 Stress nephogram when working face advancing 170 meters

由圖2可以初步判斷，烏達(dá)礦區(qū)9#煤層垮落帶最大高度約為8.7 m，裂隙帶最大高度約為25.9 m，其上覆巖體屬整體彎曲下沉帶。

1.3 回采工作面瓦斯來源

因工作面采動(dòng)影響，9#開采煤層的頂、底板在一定范圍內(nèi)會(huì)形成大量裂隙，這些裂隙為鄰近煤層的泄壓瓦斯提供了涌至回采工作面的通道和空間[3]。瓦斯密度約為空氣密度的0.55倍，上浮時(shí)在采空區(qū)、工作面或裂隙帶內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，隨著工作面的推進(jìn)，下鄰近煤層的大量泄壓瓦斯會(huì)涌向該工作面及其采空區(qū)。如圖3所示，鄰近層卸壓瓦斯涌到采空區(qū)后經(jīng)漏入采空區(qū)的微弱風(fēng)流帶入回采工作面，在回采工作面與回風(fēng)巷交界處形成一片高濃度瓦斯積聚區(qū)域(上隅角瓦斯積聚區(qū)域)，從而造成瓦斯超限。

圖3 上、下鄰近層的瓦斯向采空區(qū)的流動(dòng)Fig．3 Gas’s flow to gob between adjacent coal seam

2 綜合瓦斯治理方案及效果分析

2．1 綜合瓦斯治理方案

根據(jù)9#煤層回采工作面瓦斯超限原因，提出9#煤層采前定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域預(yù)抽、頂板走向高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采，10#煤層卸壓抽采、工作面順槽上向鉆孔抽采，采空區(qū)埋長(zhǎng)短雙管抽采的瓦斯治理方案[4－7]。

(1)9#煤層工作面采前走向順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽

采用定向鉆機(jī)施工分段走向順層長(zhǎng)鉆孔對(duì)9#煤層工作面區(qū)域進(jìn)行預(yù)抽，鉆孔孔徑一般為93 mm，抽采半徑為10 m，具體方案如下:

①在工作面下順槽巷道開口位置施工走向順層鉆孔。設(shè)計(jì)三個(gè)鉆孔，孔底間距為15 m，其中一個(gè)鉆孔位于順槽中部，其余兩個(gè)鉆孔位于巷道的上幫和下幫區(qū)域。上述三個(gè)鉆孔施工結(jié)束后，再施工工作面區(qū)域內(nèi)的走向順層鉆孔(圖4a)。

圖4 分段走向順層鉆孔抽采方案鉆孔布置Fig．4 Borehole layout of subsection consequent landside gas extraction plan

②施工第二分段抽采鉆孔。下順槽加強(qiáng)抽采，待該區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)后，先行掘進(jìn)下順槽，第一分段順槽掘進(jìn)到位后，施工第二分段抽采鉆孔(圖4b)。

(2)10#煤層卸壓攔截抽采

根據(jù)瓦斯涌出量計(jì)算，9#煤層回采時(shí)，工作面瓦斯涌出有60%以上來自10#煤層卸壓瓦斯，因此，在9#煤層回采工作面的運(yùn)輸順槽布置2～3個(gè)鉆場(chǎng)，利用千米鉆機(jī)施工10#煤層的走向順層長(zhǎng)鉆孔，對(duì)該煤層的卸壓瓦斯進(jìn)行攔截抽采[8]，鉆孔布置如圖5所示。

圖5 10#煤層走向順層長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采鉆孔布置Fig．5 Borehole layout of long borehole coal consequent landside gas extraction plan

(3)9#煤層回采面頂板走向高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采

根據(jù)近距離煤層群特點(diǎn)、頂?shù)装鍘r性、工作面回采高度、數(shù)值模擬結(jié)果確定9#煤層工作面上覆巖層三帶高度，同時(shí)參考類似工作面高位鉆孔應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[9]，在9#煤層工作面頂板裂隙帶內(nèi)，共布置2～3組不同層位的鉆孔，每組鉆孔2～3個(gè)，控制在與回采工作面距回風(fēng)巷30～45 m的位置[6]。

(4)10#煤層工作面上、下順槽上向鉆孔抽采

在10#煤層采掘期間，該煤層工作面上覆的9#煤層采空區(qū)內(nèi)積聚有大量瓦斯，為避免回采時(shí)9#煤層采空區(qū)瓦斯回流至10#采掘工作面，影響安全生產(chǎn)，在10#煤層工作面上、下掘進(jìn)順槽內(nèi)，緊跟10#煤層掘進(jìn)頭，每隔20 m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)向上部采空區(qū)施工兩個(gè)鉆孔，孔深一般為6 m，如圖6所示。其中，1#鉆孔與運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)方向夾角為135°，2#鉆孔與運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)方向夾角為45°，每個(gè)鉆場(chǎng)中的兩個(gè)鉆孔開孔位置不小于1 m[6]。

圖6 10#煤層工作面上、下順槽抽采上部采空區(qū)鉆孔布置Fig．6 Borehole layout of adjacent top crossheading gas extraction plan

(5)回采面上隅角埋管抽采

由于9#煤層回采期間瓦斯涌出量大，黃白茨煤礦在該工作面回風(fēng)巷內(nèi)(上側(cè))敷設(shè)長(zhǎng)短兩趟抽采管，管徑均為219 mm。隨著工作面的推進(jìn)，一趟抽采管管口保持伸入采空區(qū)不超過30 m，另外一趟抽采管管口保持伸入采空區(qū)不超過6 m，將采空區(qū)瓦斯抽出[6]。

在10#煤層工作面回風(fēng)巷內(nèi)(上側(cè))敷設(shè)抽采管，抽采管前端兼作埋管，管徑設(shè)計(jì)為219 mm，隨著工作面的推進(jìn)，抽采管管口保持伸入采空區(qū)不超過30 m，將采空區(qū)瓦斯抽出。

2.2 效果分析

黃白茨煤礦在采用上述瓦斯抽采方法后，有效解決了9#和10#近距離煤層開采時(shí)瓦斯涌出問題。9#和10#煤層回采工作面在正常通風(fēng)情況下，回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.36%左右，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.50%左右，并且未出現(xiàn)瓦斯超限等異常情況。

3 結(jié)束語

在分析9#煤層開采底板破裂規(guī)律、煤層開采頂板三帶及煤層開采時(shí)工作面瓦斯涌出來源的基礎(chǔ)上，提出以9#煤層采前定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域預(yù)抽、回采期間頂板走向高位水平長(zhǎng)鉆孔抽采，下伏10#煤層卸壓攔截抽采、工作面采掘期間順槽上向鉆孔抽采及采空區(qū)埋長(zhǎng)短雙管抽采的綜合治理技術(shù)方案。該方案能夠有效解決黃白茨煤礦9#和10#近距離煤層開采時(shí)的瓦斯涌出問題，為礦井安全高產(chǎn)提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為其他類似礦井的瓦斯治理提供了參考。

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(編輯 荀海鑫)

Comprehensive gas control technology of 9#and 10#closed distance coal seam in Huangbaici coal mine

CHEN Bin
(Chongqing Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corporation，Chongqing 400037，China)

Aimed at addressing gas overrun occurring during the mining period in the 9#and 10#closed distance seams in Huangbaici coal mine，this paper describes an analysis of the floor demolish regulars of 9#coal seam，offers a simulation of three ceiling bands of 9#coal seam roof and determination of the sources of working face gas，and above all，proposes a comprehensive gas control scheme dominated by pre-mining drainage with directional long borehole drilling in 9#coal seam，drainage with roof strike high position horizontal long borehole drilling during mining，drainage with buried pipeline in the goaf and release of the pressure to intercept gas in 10#coal seam，drainage with upward drilling hole in two cross-headings during exploiting．Results show that，in the case of the normal ventilation，gas volume fraction is kept at 0．36%and 0．50%in return airway and upper corner．The scheme proves an effective solution to gas emission occurring during 9#and 10#closed distance coal seam mining and serves as reference for gas control in similar mines．

gas control;close distance seams;directional long borehole drilling;high position horizontal long borehole drilling;drainage with pressure relief interception

10．3969/j．issn．1671－0118．2013．01．002

TD712

1671－0118(2013)01－0006－04

A