東林煤礦保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采優(yōu)化設(shè)計(jì)

李棟++黃昌文++任梅青

[摘 要]為了提高東林煤礦保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采率，從層位選擇、鉆孔間距及傾角、鉆場(chǎng)、抽采時(shí)間進(jìn)行了設(shè)計(jì)，應(yīng)用結(jié)果表明參數(shù)設(shè)計(jì)合理，鉆場(chǎng)瓦斯抽采濃度達(dá)40%、抽采純量達(dá)0.3m3/min，瓦斯抽采率達(dá)到50%以上。

[關(guān)鍵詞]采礦工程 保護(hù)層開采 卸壓瓦斯 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0059-01

1、礦井基本情況

東林煤礦是我國(guó)稀有的優(yōu)質(zhì)焦煤生產(chǎn)礦井，核定生產(chǎn)能力400kt/a，井田走向長(zhǎng)度7.5km，采用豎井多水平分采區(qū)開拓。礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，共發(fā)生突出事故200余次，嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)。

2、保護(hù)層開采情況

東林煤礦主采4#和6#煤層，傾角65°，埋深440～480m。4#煤層厚度2.5m，6#煤層厚度1.5m，層間距38m。由于4#、6#煤層均為突出煤層，先對(duì)6#煤層進(jìn)行網(wǎng)格鉆孔預(yù)抽瓦斯，待其突出危險(xiǎn)性降低后，作為下保護(hù)層開采，4#煤層作為被保護(hù)層滯后開采。

3、抽采設(shè)計(jì)

3.1 卸壓瓦斯抽采巷層位的選擇

為保證鉆孔位置達(dá)到適宜抽采區(qū)間，且較長(zhǎng)時(shí)間處于高濃度瓦斯區(qū)，攔截由被保護(hù)層涌向保護(hù)層6#煤層回采工作面的瓦斯，保證瓦斯不超限；同時(shí)為減少開采對(duì)鉆孔的采動(dòng)影響，增加鉆孔壽命，根據(jù)煤系巖層性質(zhì)及層間距，在4#和6#煤層之間有一層10m厚的硅質(zhì)石灰?guī)r，該巖層穩(wěn)定性較高，能抵抗住由于保護(hù)層開采引起的變形及移動(dòng)。因此，卸壓瓦斯抽采巷布置在與-50m―-100m區(qū)段保護(hù)層工作面運(yùn)輸巷同一水平標(biāo)高的4#、6#煤層間的高強(qiáng)度硅質(zhì)石灰?guī)r中，距離被保護(hù)層4#煤層14～16m。

3.2 卸壓瓦斯抽采鉆孔布置

（1）鉆孔有效抽采半徑及終孔間距

卸壓瓦斯抽采鉆孔有效抽放半徑可通過分析被保護(hù)層的瓦斯涌出規(guī)律得出。當(dāng)保護(hù)層工作面推過被保護(hù)層考察鉆孔32m時(shí)，鉆孔瓦斯流量顯著增加；在工作面推過被保護(hù)層考察鉆孔50m時(shí)達(dá)到最大值。此后，直到保護(hù)層工作面后方67m時(shí)，瓦斯流量才下降到接近于原始值。由此可知，該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)被保護(hù)層卸壓瓦斯流量從初始值增加到最大值的距離為18m，則該試驗(yàn)區(qū)域的卸壓瓦斯抽采鉆孔的有效抽采半徑為9m。

鉆孔終孔間距的大小與層間巖性、層間距、煤層傾角、卸壓瓦斯抽采影響半徑等參數(shù)有關(guān)。為了有效地抽采卸壓瓦斯，抽采鉆孔的間距不應(yīng)超過瓦斯活化帶的寬度。如抽采鉆孔的間距為瓦活化帶的50%時(shí)，由于相鄰鉆孔瓦斯活化帶的疊加，可獲得比較高且穩(wěn)定的瓦斯抽采量。因此，在當(dāng)前這種開采條件下，卸壓瓦斯抽采鉆孔的間距取20～25m是比較適宜的。但考慮到當(dāng)工作面的回采速度增大以后，采區(qū)瓦斯涌出量將有所增加，避免4#煤層的卸壓瓦斯大量地涌入6#煤層的采空區(qū)及回采工作面造成6#煤層回采工作面的瓦斯超限，被4#煤層卸壓瓦斯抽采鉆孔的間距應(yīng)該減少為15～20m的范圍。

同時(shí)，為了對(duì)比分析不同依據(jù)所確定的鉆孔間距差異性，采用經(jīng)驗(yàn)公式（1）計(jì)算：

（1）

式中，lx—鉆孔間距，m；qx—鉆孔平均總抽采量，m3；Ak—鉆孔平均抽采面積，m2；Wx—被保護(hù)層單位面積卸壓瓦斯儲(chǔ)量，m3/m2；η—被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采率，該礦井為40%。計(jì)算得到該區(qū)域的卸壓瓦斯抽采鉆孔間距為19.6m。

由于鉆孔空間位置不同，抽采效果差別很大，適當(dāng)縮小鉆孔間距也可以提高抽采率。因此，綜合考慮將鉆孔間距確定為15～20m。

（2）鉆孔仰角

6#煤層工作面采空區(qū)下邊界以上垂高2m左右至垂高38m左右的被保護(hù)層4#煤層卸壓較充分；同時(shí)，抽采資料表明，鉆孔角度對(duì)鉆孔的抽采總量影響不大，但是隨著鉆孔仰角的增大，抽采瓦斯的濃度有所降低。因此，從急傾斜煤層的特點(diǎn)出發(fā)，沿傾斜方向布孔主要是將鉆孔布置在鄰近4#煤層的裂隙和微隙區(qū)內(nèi)，即在6#煤層的工作面運(yùn)輸巷以上垂高2～38m所對(duì)應(yīng)的4#煤層卸壓較充分的范圍內(nèi)。因此，從抽采瓦斯和鉆孔施工這兩方面來考慮，卸壓瓦斯抽采鉆孔的仰角一般為10°～62°是比較經(jīng)濟(jì)和合理的。

3.3 卸壓瓦斯抽采鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)

為了減少抽采鉆場(chǎng)的維護(hù)費(fèi)用，必須合理地選擇鉆場(chǎng)間距。由被保護(hù)層4#煤層的卸壓瓦斯動(dòng)力參數(shù)的考察結(jié)果可知，該區(qū)域的瓦斯活躍帶為50m，且卸壓瓦斯抽采鉆孔間距確定為15～20m。為了保證鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔都處于瓦斯活躍帶內(nèi)，并考慮抽采鉆場(chǎng)的維護(hù)時(shí)間，將鉆場(chǎng)間距確定為30～40m。同時(shí)，由于該礦井采用MYZ-150型鉆機(jī)，并考慮到實(shí)際瓦斯抽采巷的寬度，鉆場(chǎng)尺寸為3.0×2.5×2.5m。為保證瓦斯抽采量大且穩(wěn)定，在瓦斯活躍帶內(nèi)保持2個(gè)鉆場(chǎng)抽采為佳。

3.4 抽采時(shí)間

為了有效地抽采卸壓瓦斯，避免抽采負(fù)壓浪費(fèi)，應(yīng)合理地確定抽采鉆孔的抽采時(shí)間，保證抽采鉆孔能基本上抽到4#煤層的卸壓瓦斯。由現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果可知，從保護(hù)層工作面前方40m到工作面后20m范圍，被保護(hù)煤層內(nèi)的瓦斯逐漸開始解吸，瓦斯流量開始上升；而被保護(hù)層的瓦斯活躍帶為保護(hù)層工作面后方15m到65m，此帶為抽采卸壓瓦斯的最佳時(shí)機(jī)；同時(shí)，由于被保護(hù)層出現(xiàn)了二次流量上升的過程，隨后從位于保護(hù)層工作面后135m開始逐漸衰減。因此，針對(duì)急傾斜多煤層俯偽斜上保護(hù)層開采的卸壓瓦斯抽采，其抽采時(shí)間應(yīng)為從保護(hù)層工作面前方40m到工作面后方135m這一時(shí)間段。當(dāng)保護(hù)層工作面推過鉆孔135m以后，被保護(hù)層的卸壓瓦斯也基本上沒有很大的抽采價(jià)值，此時(shí)可以結(jié)束鉆孔的抽采工作。

4、效果考察

通過分析和設(shè)計(jì)，得到東林煤礦卸壓瓦斯抽采鉆孔參數(shù)，見表1。通過對(duì)東林煤礦各抽采鉆場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：每次平均抽采率達(dá)50%；在工作面回采推過此區(qū)域過程中，6#工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染闯?；同時(shí)，被保護(hù)層4#煤層，平均鉆場(chǎng)抽采純量達(dá)0.3m3/min，平均瓦斯抽采濃度達(dá)到40%。

5、結(jié)論

（1）卸壓瓦斯抽采巷布置在4#、6#煤層間的高強(qiáng)度硅質(zhì)石灰?guī)r中合理；

（2）鉆孔間距確定為15～20m，鉆場(chǎng)尺寸為3.0×2.5×2.5m合理；

（3）應(yīng)用結(jié)果表明參數(shù)設(shè)計(jì)合理，鉆場(chǎng)瓦斯抽采濃度達(dá)40%、抽采純量達(dá)0.3m3/min，瓦斯抽采率達(dá)到50%以上。

作者簡(jiǎn)介

李棟（1986—），男，碩士，2012年畢業(yè)于重慶大學(xué)采礦工程專業(yè)，主要從事地下工程研究工作。