大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究

張飛燕，韓 穎,，曹文濤

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室—省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454000)

沙曲礦是山西焦煤集團(tuán)華晉焦煤有限責(zé)任公司在離柳礦區(qū)建設(shè)的第一對礦井，位于呂梁山脈中段西部，河?xùn)|煤田中部，行政區(qū)劃屬山西省呂梁市柳林縣管轄。井田大致呈北西-南東向弧形，長約22km，寬4.5～8km，面積138.3535km2，主采3、4號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0Mt/a。該礦于2004年11月建成投產(chǎn)，于2005年被鑒定為煤與瓦斯突出礦井，4號(hào)煤層為突出煤層。

近年來，隨礦井開采深度的增加及生產(chǎn)強(qiáng)度的加大，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量及瓦斯涌出量逐漸增加，瓦斯治理難度日益增大。2008年，礦井相對瓦斯涌出量為79.06m3/t，絕對瓦斯涌出量為421.92m3/min，經(jīng)礦井瓦斯來源及涌出構(gòu)成分析可知，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60％以上[1]。針對此情況，沙曲礦采用傾斜高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯，取得了一定效果[2]；但是，因開掘傾斜高抽巷資金投入大、工程量大，致使瓦斯治理工程進(jìn)展緩慢，礦井采掘接替緊張。如何有效提高瓦斯治理效果，成為礦方亟待解決的問題?；诖耍疚囊?4207工作面為對象，開展了大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究。

1 研究區(qū)概況

24207工作面走向長1608m，傾向長284m，面積為528547m2，煤層傾角為5°，為3、4號(hào)煤層合并開采，煤層平均厚度4.17m，開采煤層有益厚度3.82m。該工作面總體上呈單斜構(gòu)造，傾向西，傾角5°。井下揭露在24207膠帶巷365m處，標(biāo)高在+435m附近發(fā)現(xiàn)一陷落柱，其長軸44.12m，短軸31m，面積為1061m2；在24207軌道巷391m處，標(biāo)高在+430m附近發(fā)現(xiàn)一陷落柱，其長軸37.31m，短軸27.74m，面積為835m2，未見斷層和褶皺。

24207工作面采用傾斜長壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板；通風(fēng)系統(tǒng)為“U+L”型，即膠帶巷、材料巷進(jìn)風(fēng)，專用排瓦斯尾巷回風(fēng)，通風(fēng)方式為機(jī)械抽出式。在工作面回采過程中，絕對瓦斯涌出量為21～59m3/min。

2 裂隙帶邊界的理論確定

眾所周知，采用全部垮落法管理采空區(qū)情況下，根據(jù)采空區(qū)覆巖移動(dòng)破壞程度，沿豎直方向可以分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶[3]。高位鉆孔應(yīng)布置在巖體較完整且裂隙發(fā)育的區(qū)域，同時(shí)應(yīng)避開因空隙過大而漏入大量空氣的區(qū)域，這樣才能保證鉆孔有效地抽出高濃度瓦斯；若鉆孔布置在冒落帶內(nèi)，其將隨頂板巖體冒落而被破壞，過早失去抽采作用；若鉆孔布置在彎曲下沉帶內(nèi)，其將因該帶內(nèi)無貫通裂隙而導(dǎo)致無法有效抽采。因此，裂隙帶邊界的準(zhǔn)確確定，是高位鉆孔合理布置的先決條件，將直接影響高位鉆孔抽采瓦斯效果。

2.1 裂隙帶上邊界確定

目前，國內(nèi)普遍采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)冒落帶、裂隙帶的高度[4]，但其僅適用于煤層厚度小于3 m的情況[5]。24207工作面綜合柱狀圖如圖1所示，其煤層厚度為4.17m，不宜采用。

本文采用基于關(guān)鍵層理論的判別方法[5]確定裂隙帶邊界，具體步驟如下所示。

1) 確定關(guān)鍵層。根據(jù)關(guān)鍵層判別方法[6]，得出煤層上方有三層關(guān)鍵層：煤層上方第四層(4.5m中砂巖)為第一亞關(guān)鍵層，第九層(7.3m中砂巖)為第二亞關(guān)鍵層，第十七層(8.3m中砂巖)為主關(guān)鍵層。

2) 確定裂隙帶臨界高度HL。HL一般取煤層厚度的7～10倍[7]，則24207工作面HL=29.19～41.7m。

3) 計(jì)算各關(guān)鍵層距煤層頂板的高度hi。由圖1可知：h1=6.59m；h2=17.56m；h3=46.24m。

4) 判別各關(guān)鍵層的破斷裂隙是否貫通，進(jìn)而確定裂隙帶高度。因h1和h2均小于臨界高度HL，所以破斷裂隙貫通這兩層關(guān)鍵層及其所控制的上覆巖層；而主關(guān)鍵層h3>HL，則裂隙延伸至主關(guān)鍵層下部邊界，但并不貫通主關(guān)鍵層。因此，裂隙帶高度為煤層頂部到主關(guān)鍵層下部邊界的高度，即46.24m。

2.2 裂隙帶下邊界確定

研究表明：當(dāng)煤層直接頂厚度小于2～3倍采高時(shí)，直接頂冒落后不能充滿采空區(qū)空間，此時(shí)直接頂巖層與其上部的基本頂巖層之間存在一定的自由空間，基本頂是否處于裂隙帶尚需進(jìn)一步判別[8]。

由圖1可以看出，24207工作面采高為4.17m，煤層上方直接頂厚度為6.59m，小于采高的2～3倍，故需對基本頂是否處于裂隙帶進(jìn)行判別，理論判別公式[3,9]如下

式中，li為基本頂斷裂巖塊長度，m；hi為自下而上第i層基本頂?shù)姆謱雍穸?，m；M為煤層采高，m；ki為基本頂及其上覆巖層的碎脹系數(shù)，ki=1.15～1.33；∑h為直接頂厚度，m；kz為直接頂巖層碎脹系數(shù)，kz=1.33～1.50。

若同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，則基本頂巖層處于裂隙帶；若不滿足，則基本頂巖層處于冒落帶。

24207工作面基本頂為厚4.5m的中砂巖，將基本頂整層看做一個(gè)分層，則i=1，M=4.17m，∑h=6.59m，kz=1.33，ki=1.15，將上述參數(shù)代入式(2)，得：h1=4.5>1.5[4.17-6.59(1.33-1)]=2.99，滿足式(2)；經(jīng)計(jì)算，l1=14.12m，可以得出：l1=14.12>2hi=2×4.5=9m，滿足式(1)。由此可以判定，基本頂巖層處于裂隙帶，裂隙帶下邊界為煤層上方6.59m處。

綜上所述，裂隙帶處于煤層上方6.59～46.24m，其厚度為39.65m。

圖1 24207工作面綜合柱狀圖

3 裂隙帶邊界的數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

本次模擬使用UDEC4.0進(jìn)行，采用摩爾-庫侖模型，分別建立傾向模型和走向模型，模型的左右邊界均定義為單約束邊界，固定x方向位移，y方向自由；定義下部邊界x和y方向?yàn)槿s束邊界；上部邊界為自由邊界，不予約束。在模型上邊界施加均布載荷，以模擬其上方頂板巖層的自重應(yīng)力。為減小邊界對開采區(qū)的影響，傾向模型兩側(cè)各留75m煤柱，分四步開挖，分別開挖25m、50m、75m、150m；走向模型兩側(cè)各留65m煤柱，開挖220m。

3.2 模擬結(jié)果分析

傾向模型模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2(a)為煤層開挖25m時(shí)，其上方直接頂已冒落，而直接頂上方的基本頂，由于其強(qiáng)度大，暫時(shí)未垮落，此時(shí)采空區(qū)上方裂隙不發(fā)育，冒落帶高度為直接頂厚度6.59m。

圖2(b)為煤層開挖50m時(shí)，采空區(qū)上部基本頂巖層發(fā)生剪切破壞，基本頂已初次破斷，但因其已形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，并未完全垮落，仍支承著上覆巖層，此時(shí)冒落帶高度仍為6.59m。基本頂所控巖層出現(xiàn)很大位移，并與第二亞關(guān)鍵層產(chǎn)生離層，且裂隙發(fā)育充分，裂隙發(fā)育高度達(dá)17.66m左右。

圖2(c)為煤層開挖75m時(shí)，第二亞關(guān)鍵層已經(jīng)破斷，基本頂巖層經(jīng)幾次周期垮落后在其兩端部位仍保持“砌體梁”結(jié)構(gòu)；而在基本頂巖層中部，各周期破斷后的塊體由于水平方向上存在擠壓力，并未完全冒落，此時(shí)冒落帶高度仍為直接頂厚度6.59m。而由圖中可明顯看出，裂隙已穿過第二亞關(guān)鍵層發(fā)育到主關(guān)鍵層下部，而主關(guān)鍵層僅出現(xiàn)輕微下沉，仍保持完整性；主關(guān)鍵層之上裂隙幾乎不發(fā)育，此時(shí)裂隙帶高度已達(dá)46.24m。

圖2(d)為煤層開挖150m時(shí)，采空區(qū)之上兩端裂隙發(fā)育充分，但其中部裂隙已經(jīng)閉合，說明此時(shí)其中部已趨于壓實(shí)狀態(tài)；而裂隙帶高度仍保持在主關(guān)鍵層之下，并未再向上發(fā)展，且裂隙充分發(fā)育區(qū)分布在采空區(qū)之上兩端部，冒落帶高度一直穩(wěn)定在6.59m。

綜上所述，裂隙帶上下邊界分別為煤層上方46.24m和6.59m。數(shù)值模擬結(jié)論與理論分析結(jié)論一致。

圖2 傾向模型開挖后冒落及裂隙分布圖

走向模型模擬結(jié)果如圖3所示。模型開挖220m，運(yùn)算45681步達(dá)到平衡，由圖中可以看出，采空區(qū)上部兩側(cè)0～50m范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，為瓦斯抽采的最佳區(qū)域。

圖3 沿走向方向裂隙分布圖

4 大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究

4.1 鉆孔布置

在24207工作面尾巷施工9個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場內(nèi)采用德國ADR-250鉆機(jī)施工5個(gè)直徑為250mm的高位鉆孔。為保證鉆孔處于裂隙發(fā)育區(qū)，以高效抽采瓦斯，鉆孔終孔位置處于煤層上方45m左右，工作面水平投影為25m。高位鉆孔布置如圖4所示，參數(shù)見表1。

表1 大孔徑高位鉆孔布置參數(shù)表

4.2 抽采效果分析

布置于1#、2#鉆場內(nèi)的高位鉆孔抽采效果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，高位鉆孔抽采瓦斯分為三個(gè)階段：初抽階段、高濃階段，衰減階段。當(dāng)鉆孔進(jìn)入工作面應(yīng)力增高區(qū)時(shí)，煤層及頂板受壓，產(chǎn)生微小裂隙，瓦斯在負(fù)壓作用下進(jìn)入抽采鉆孔，此時(shí)抽采濃度高，但抽采純量較低，抽采效果不明顯；當(dāng)鉆孔處于工作面及采空區(qū)卸壓區(qū)時(shí)，裂隙發(fā)育充分，平均抽采濃度達(dá)37.3％，平均瓦斯抽采純量達(dá)11.58m3/min；當(dāng)工作面推過鉆場一段距離后，鉆孔逐漸遠(yuǎn)離采空區(qū)瓦斯積聚區(qū)，瓦斯抽采濃度逐漸降低。

通過上述分析可以看出，大孔徑高位鉆孔抽采效果良好，工作面回采期間瓦斯超限問題得以有效解決。同時(shí)，大孔徑高位鉆孔施工費(fèi)用低，工程量小，且不用考慮傾斜高抽巷施工中的局部通風(fēng)問題，大大降低了瓦斯抽采成本。

圖4 高位鉆孔布置示意圖

圖5 1#鉆場內(nèi)高位鉆孔抽采效果圖

圖6 2#鉆場內(nèi)高位鉆孔抽采效果圖

5 結(jié)論

1) 采用基于關(guān)鍵層理論的判別方法，確定了裂隙帶邊界為煤層上方6.59～46.24m。

2) 采用UDEC4.0，選用摩爾-庫侖模型，建立了傾向模型和走向模型，對裂隙帶邊界進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)論與理論分析結(jié)果一致。

3) 現(xiàn)場試驗(yàn)表明：大孔徑高位鉆孔抽采效果良好，高濃期時(shí)平均抽采濃度達(dá)37.3％，平均瓦斯抽采純量達(dá)11.58m3/min；同時(shí)，解決了工作面回采期間瓦斯超限問題。

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