覆巖采動(dòng)卸壓瓦斯高位鉆孔抽采技術(shù)＊

雙海清，王紅勝，2，李樹剛，2，杜政賢，由臨東，郭衛(wèi)彬，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054;2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710054)

0 引 言

低透氣性煤層工作面隅角瓦斯易超限，直接威脅著工作面安全高效回采［1-2］。針對(duì)低透氣性煤層瓦斯賦存特點(diǎn)，為解決隅角瓦斯超限難題，我國(guó)學(xué)者開展了卓有成效的工作［3-5］，特別是卸壓抽采技術(shù)［6-7］得到了廣泛應(yīng)用。在回采擾動(dòng)條件下，煤巖透氣性顯著增強(qiáng)，卸壓瓦斯經(jīng)覆巖采動(dòng)裂隙聚集在裂隙帶內(nèi)［8-9］并形成了瓦斯富集區(qū)，如將高位鉆孔終孔布置在瓦斯富集區(qū)內(nèi)，能有效提高瓦斯抽采效果。因此，準(zhǔn)確掌握覆巖采動(dòng)裂隙分布規(guī)律和確定高位鉆孔終孔合理位置是成功應(yīng)用卸壓瓦斯抽采技術(shù)的關(guān)鍵［10-13］。

李雅莊煤礦為低透氣性高瓦斯礦井，2 -603工作面雖然采用了本煤層瓦斯抽采技術(shù)，因煤層透氣性低，抽采效果不佳，回采過(guò)程中上隅角瓦斯易超限，造成了工作面瓦斯管理困難。因此，文中基于2 -603 工作面地質(zhì)條件，提出了在外錯(cuò)高抽巷內(nèi)布置高位鉆孔抽采2 -603 工作面覆巖采動(dòng)卸壓瓦斯方法，開展了工作面覆巖采動(dòng)裂隙及應(yīng)力分布規(guī)律分析，確定了高位鉆孔終孔合理位置，有效提高了卸壓瓦斯抽采效果，解決了隅角瓦斯超限難題。

1 高位鉆孔抽采方法的提出

1.1 地質(zhì)條件

2 -603 工作面位于六采區(qū)右翼最深部，東南部為井田邊界，西北部為未開采的2 -605 工作面。2 -603 工作面位于1、2 煤層的合并層，煤厚為3.14 ～3.70 m，平均為3.58 m;煤層一般含1 層夾矸，局部區(qū)域含2 層，以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，屬?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)煤層。煤層傾角為5° ～16°，平均8°，采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法。基本頂為細(xì)砂巖，厚度為3.45 ～6.00 m;直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為0 ～2.87 m;偽頂為泥巖，厚度為0 ～0.30 m;直接底為粉砂巖，厚度為1.40 ～3.00 m;基本底為泥巖，厚度為1.50 ～2.70 m.

1.2 瓦斯賦存特征

2 煤原始瓦斯含量7.32 m3/t，計(jì)算工作面圈定范圍煤層瓦斯儲(chǔ)量為393 萬(wàn)m3?？山馕咚沽繛?.70 m3/t，不可解吸量為1.62 m3/t;放散初速度ΔP 值為7.5，堅(jiān)固性系數(shù)值為0.67，瓦斯壓力0.68 MPa;煤層極限吸附常數(shù)a 值為18.03 ～45.05 m3/t，b 值為0.409 ～0.638 MPa-1;煤的孔隙率為6.45 ～8.05%，2 煤透氣性系數(shù)為0.137 1 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.006 5 ～0.008 9 d-1，屬于可以抽采煤層。

1.3 外錯(cuò)高抽巷布置參數(shù)

高抽巷設(shè)計(jì)斷面為矩形，高、寬分別為3，3.5 m.高抽巷外錯(cuò)2 -603 工作面24.5 ～26.38 m 布置，受2 煤起伏變化影響，高抽巷底板距2 煤頂板為17 ～29 m，平均約為25 m.

圖1 高位鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.1 Adjoining rock structural model of high level borehole

1.4 高位鉆孔抽采方法的提出

2 -603 工作面雖然采用本煤層鉆孔抽采、低位裂隙鉆孔抽采和工作面上隅角埋管抽采，但2 煤透氣性低，抽采效果不佳，工作面回采過(guò)程中，上隅角瓦斯易超限。為解決工作面隅角瓦斯超限難題，提出了在外錯(cuò)高抽巷內(nèi)布置高位鉆孔抽采2 -603 工作面覆巖采動(dòng)裂隙瓦斯。在外錯(cuò)高抽巷內(nèi)鋪設(shè)抽采系統(tǒng)，鋪設(shè)φ280 mm 螺紋抽采管路1 420 m，在管路起始端分別安設(shè)控制閥門和孔板流量計(jì)各一組，以便于數(shù)據(jù)的測(cè)量及分析。

高位鉆孔圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1 所示。從圖1 可知，受2 -603 工作面采動(dòng)影響，卸壓瓦斯聚集在覆巖采動(dòng)裂隙內(nèi)，形成瓦斯富集區(qū)，為了有效抽采2 -603 工作面卸壓瓦斯，需將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖瓦斯富集區(qū)內(nèi)。因此，下面對(duì)2 -603工作面上端頭覆巖采動(dòng)裂隙及應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行較系統(tǒng)分析，為確定高位鉆孔終孔位置提供理論指導(dǎo)。

2 覆巖采動(dòng)裂隙及應(yīng)力分布規(guī)律分析

圖2 數(shù)值模型示意圖Fig.2 Model of numerical calculation

2.1 數(shù)值模擬建立

參照2 -603 工作面內(nèi)L -70 鉆孔柱狀，采用數(shù)值模擬分析軟件UDEC2D4.0 建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖2 所示。模型長(zhǎng)為400 m，高為190 m，工作面采高為3.5 m，傾角8°，水平應(yīng)力為9.22 MPa，垂直應(yīng)力為14.49 MPa，側(cè)壓系數(shù)為0.636 3.模型下邊界垂直位移固定，左右邊界水平位移固定，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb 模型［14-15］。各巖層力學(xué)參數(shù)見表1.

2.2 端頭覆巖采動(dòng)裂隙分布規(guī)律

工作面上、下端頭覆巖采動(dòng)裂隙分布規(guī)律如圖3 所示。從圖3 可知，工作面端頭覆巖采動(dòng)裂隙分布區(qū)域在上山采動(dòng)角62°以內(nèi)，下山采動(dòng)角65°以內(nèi);垂直方向上主要集中在2 個(gè)區(qū)域，第一個(gè)區(qū)域距離底板13 ～25 m，上端頭側(cè)寬度約為65 m，距離采空區(qū)邊界12 m;第二個(gè)區(qū)域距離底板38.6 ～50 m，上端頭側(cè)寬度約為50 m，距離采空區(qū)邊界28 m.

從覆巖裂隙分布規(guī)律［10］可知，覆巖裂隙第一區(qū)域主要為冒落帶，距離工作面較近，漏風(fēng)嚴(yán)重;覆巖裂隙第二區(qū)域主要為裂隙帶中上部。由瓦斯升浮特性及瓦斯運(yùn)移規(guī)律可知，瓦斯主要集中在第二區(qū)域內(nèi)。因此，為提高卸壓瓦斯抽采效果，應(yīng)將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖裂隙第二區(qū)域內(nèi)。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters for different rocks

2.3 上端頭覆巖采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

2 -603 工作面上端頭覆巖采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律如圖4 所示。從圖4 可知，2 -603 工作面回采后，在上山采動(dòng)角內(nèi)為應(yīng)力卸壓區(qū)，在實(shí)體煤壁側(cè)有應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。應(yīng)力集中區(qū)主要分布在距實(shí)體煤壁側(cè)58 m，垂直高約90 m 的范圍內(nèi)，其中應(yīng)力大于28.0 MPa 區(qū)域主要集中在距實(shí)體煤壁側(cè)23.28 m，垂直高約為40.13 m 的不規(guī)則橢圓形范圍內(nèi)。

從上端頭覆巖采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律可知，覆巖采動(dòng)應(yīng)力受2 -603 工作面采動(dòng)影響較大，為提高高位鉆孔成孔質(zhì)量，滯后工作面布置高位鉆孔。

3 高位鉆孔終孔位置優(yōu)化布置

3.1 試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)

圖3 工作面端頭覆巖采動(dòng)裂隙分布規(guī)律Fig.3 Mining-induced fracture distribution law of overlying strata at the end of coalface

圖4 上端頭覆巖采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律Fig.4 Mining-induced stress distribution law of overlying strata at the upper end of coalface

從前面分析可知，為確保持續(xù)、有效抽采工作面覆巖采動(dòng)裂隙卸壓瓦斯，需將鉆孔終孔位置布置在第二區(qū)域內(nèi)。為確定鉆孔終孔更為合理位置，在外錯(cuò)高抽巷內(nèi)115#鉆孔附近由里向外滯后工作面15 m 依次布置6 個(gè)試驗(yàn)鉆孔。其中，1 -1，1 -2 鉆孔傾角為17°，孔深為61 m，終孔位置高為44 m;2 -1，2 -2 鉆孔傾角為7°，孔深為57 m，終孔位置高為32.8 m;3 -1，3 -2 鉆孔傾角為-4°，孔深為55 m，終孔位置高為22 m;各鉆孔在采空區(qū)內(nèi)的投影長(zhǎng)度不得小于28 m。6 個(gè)孔呈扇形布置，孔口間距為5 m，開孔位置距離高抽巷底板為1 m.鉆孔直徑為113 mm.鉆孔布置參數(shù)如圖5 所示。

圖5 鉆孔布置方式圖Fig.5 Borehole layout parameters

3.2 高位鉆孔終孔位置確定

6 個(gè)試驗(yàn)鉆孔瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，1 -1，1 -2 鉆孔抽采時(shí)間最長(zhǎng)，分別為42，39 d;鉆孔瓦斯?jié)舛纫沧罡撸咚節(jié)舛瘸^(guò)80%的天數(shù)分別為12，13 d，瓦斯?jié)舛葹?0% ～80%的天數(shù)分別為17，3 d. 其它鉆孔抽采效果較1 -1，1 -2 鉆孔差，可見1 -1，1 -2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)合理。

圖6 試驗(yàn)鉆孔抽采效果Fig.6 Test borehole extracted effect

因此，高位鉆孔終孔位置參照1 -1，1 -2 鉆孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 工程應(yīng)用

4.1 高位鉆孔布置參數(shù)

受2 煤起伏變化影響，鉆孔施工時(shí)應(yīng)根據(jù)2 -6032 回風(fēng)順槽和外錯(cuò)高抽巷的相對(duì)高度，實(shí)時(shí)變更高抽巷抽采鉆孔的角度，確保鉆孔終孔位置位于2 煤頂板44 m 處，鉆孔在采空區(qū)內(nèi)的投影長(zhǎng)度不得小于28 m.鉆孔滯后工作面15 m 施工，鉆孔間距為1.8 m，孔口距高抽巷底板為1.0 m.鉆孔布置參數(shù)如圖7 所示。

圖7 抽采鉆孔布置參數(shù)Fig.7 Extraction borehole layout parameters

4.2 高位鉆孔抽采效果

2 -603 工作面回采期間，每班安排專人檢測(cè)高抽巷支管路及鉆孔瓦斯?jié)舛群凸ぷ髅嫔嫌缃峭咚節(jié)舛?，?jīng)過(guò)13 個(gè)月連續(xù)監(jiān)測(cè)表明:高抽巷抽采支管路流量為90 m3/min，純瓦斯流量為16.6 ～28.3 m3/min，平均為22.3 m3/min;瓦斯?jié)舛葹?8.4%～31.4%，平均為24.8%.抽采支管路同時(shí)連接15～20 個(gè)抽采鉆孔，鉆孔抽采時(shí)間可達(dá)20 ～40 d，鉆孔瓦斯?jié)舛葹?0% ～65%，其中，濃度大于50%的天數(shù)占總抽采天數(shù)的比例為16% ～36%，30% ～50%的比例為23% ～50%.

自2014 年4 月份項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，工作面上隅角瓦斯?jié)舛壬a(chǎn)班為0.50% ～0.95%，檢修班為0.47% ～0.89%.其中4 ～7 月隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖8 所示。

圖8 工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律Fig.8 Variation law of gas concentration at the upper corner angle

應(yīng)用效果表明，有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛龋苊饬擞缃峭咚钩?，保障了工作面安全高效回采?/p>

5 結(jié) 論

1)工作面端頭覆巖采動(dòng)裂隙主要分布在上山采動(dòng)角62°以內(nèi)，下山采動(dòng)角65°以內(nèi);垂直方向上主要集中分布在距離底板13 ～25 m 和38.6 ～50 m 等2 個(gè)區(qū)域。由瓦斯升浮特性及瓦斯運(yùn)移規(guī)律可知，瓦斯主要集中在第二區(qū)域內(nèi)。因此，為提高卸壓瓦斯抽采效果，應(yīng)將高位鉆孔終孔位置布置在覆巖裂隙第二區(qū)域內(nèi)。

2)6 個(gè)試驗(yàn)鉆孔抽采效果表明，1 -1，1 -2 鉆孔抽采時(shí)間最長(zhǎng)，抽采濃度最高，鉆孔終孔位于2煤頂板44 m 處是合理的。

3)確定了高位鉆孔終孔合理位置，受2 煤起伏變化影響，實(shí)時(shí)變更高抽巷抽采鉆孔的角度，確保鉆孔終孔位于2 煤頂板44 m 處，鉆孔在采空區(qū)內(nèi)的投影長(zhǎng)度不小于28 m，鉆孔滯后工作面15 m施工。

4)高位鉆孔抽采效果表明，2 -603 工作面高位鉆孔布置合理，鉆孔瓦斯?jié)舛雀咔页掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)，上隅角瓦斯?jié)舛壬a(chǎn)班、檢修班分別為0.50% ～0.95%，0.47% ～0.89%，有效降低了2 -603 工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，避免了隅角瓦斯超限，保障了工作面安全高效回采?/p>

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