低瓦斯礦井高瓦斯區(qū)域上隅角瓦斯治理技術(shù)

王 寧

(山西晉煤集團(tuán) 技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,山西 晉城 048006)

1 工作面概況

趙莊二號井目前主采3號煤層,煤層厚0.35 m～6.61 m,平均厚4.26 m,頂、底板多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和泥巖,穩(wěn)定性較好,采用綜采放頂煤開采工藝,全部垮落法管理頂板。工作面機(jī)采高度2.4 m,放頂煤高度1.86 m,采放比1:0.775。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.90 Mt/a。

趙莊二號井鑒定為低瓦斯礦井,但隨著開采向西部區(qū)域延伸,存在高瓦斯區(qū)域。該礦沒有成套瓦斯抽采系統(tǒng),若管理不善,極容易造成上隅角瓦斯超限。目前回采的2314采煤工作面采用“U”型通風(fēng)方式,由23141巷進(jìn)風(fēng),23142巷回風(fēng),工作面傾向長度共159 m,走向長度850 m, 在回風(fēng)順槽距巷口210 m至346 m處有一個(gè)長度為136 m的構(gòu)造橫川。

根據(jù)《趙莊二號井3號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試報(bào)告》,礦井3號煤層最大瓦斯含量(西翼盤區(qū))為5.2 m3/t ～6.05 m3/t,瓦斯殘存量Wc=2.26 m3/t,礦井相對瓦斯涌出量8.06 m3/t·d,3號煤層透氣性系數(shù)0.635 7 m2/MPa2·d～7.972 7 m2/MPa2·d,3號煤層百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.011 7 m3/(min·hm)～0.330 m3/(min·hm),百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.152 5 d-1～0.423 4 d-1。

2 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測

2.1 預(yù)測方法

礦井瓦斯涌出量預(yù)測選用我國煤礦最常用的分源預(yù)測法(AQ1018-2006)。分源預(yù)測法的技術(shù)原理是:根據(jù)煤層瓦斯含量和礦井瓦斯涌出的源匯關(guān)系,見圖1,利用瓦斯涌出源的瓦斯涌出規(guī)律并結(jié)合煤層的賦存條件和開采技術(shù)條件,通過對回采工作面瓦斯涌出量的計(jì)算,達(dá)到預(yù)測采區(qū)瓦斯涌出量的目的[1]。

圖1 礦井瓦斯涌出源匯關(guān)系示意圖Fig.1 Relationship among gas emission sources in mines

預(yù)測條件:

1)根據(jù)礦井采掘計(jì)劃,開采3號煤層,西翼盤區(qū)布置一個(gè)放頂煤工作面,工作面長度為180 m,煤層厚度4.26 m。

2)設(shè)計(jì)年工作日330 d。

3)瓦斯含量:西翼盤區(qū)最大瓦斯含量取6.05 m3/t。

4)殘存量:3號煤層Wc=3.73 m3/t(根據(jù)AQ1018-2016計(jì)算)。

5)工作面順槽斷面積為9.60 m2,煤壁周長為8.8 m,大巷斷面積為17.15 m2,煤壁周長為11.2 m;工作面順槽掘進(jìn)速度為每月300 m,大巷掘進(jìn)速度為每月150 m。

2.2 開采層瓦斯涌出量預(yù)測

開采煤層(包括圍巖)瓦斯涌出量預(yù)測公式[2]如下:

式中:q1為開采煤層(包括圍巖)相對瓦斯涌出量,m3/t;K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù),依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》(AQ1018-2006)中附錄A:取K1=1.30;K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù),其值為工作面回采率的倒數(shù), 3號煤層回采率按照0.875計(jì)算,取K2=1.14;m為煤層厚度,取4.26 m;M為煤層采高,取4.26 m;W0為煤層原始瓦斯含量,取值6.05 m3/t;Wc為煤的殘存瓦斯含量,取值3.73 m3/t。K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù),采用長壁后退式回采時(shí),系數(shù)K3按下式確定:

式中:L為回采工作面長度,3號煤取L=180 m;h為巷道瓦斯預(yù)排等值寬度,無煙煤取h=15.4 m;則K3=0.83。

3號煤層開采層瓦斯涌出量如表1所示。

表1 3號煤層開采層瓦斯涌出量

2.3 鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測

鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測公式[3]如下:

式中:q2為鄰近層相對瓦斯涌出量,m3/t;mi為第i個(gè)鄰近層厚度,m;M為開采層的開采厚度,取4.26 m;W0i為第i鄰近層原始瓦斯含量,m3/t,因鄰近層沒有瓦斯含量數(shù)據(jù),按開采煤層瓦斯含量取值;Wci為第i鄰近層殘存瓦斯含量,m3/t,參考3號煤層殘存瓦斯含量取值;ηi為取決于層間距離的第i鄰近層瓦斯排放率,%。

鄰近層相對瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 鄰近層相對瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果表

2.4 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測

回采工作面瓦斯涌出量由開采層、鄰近層瓦斯涌出兩部分組成[4],即qc=q1+q2。回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果如表3所示。

表3 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果表

3 瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

趙莊二號礦井采用綜合機(jī)械化采煤方法,西翼盤區(qū)最大瓦斯含量達(dá)6.05 m3/t,存在高瓦斯區(qū)域,采煤機(jī)割煤期間,回采瞬時(shí)落煤強(qiáng)度大,導(dǎo)致工作面絕對瓦斯涌出量大,特別是在老頂初次來壓期間,采空區(qū)及鄰近層內(nèi)的瓦斯也將向工作面上隅角運(yùn)移,并由此處進(jìn)入回采工作面的回風(fēng)流,容易出現(xiàn)工作面上隅角瓦斯超限。根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果,有必要建立瓦斯抽采系統(tǒng)對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采,解決上隅角瓦斯超限安全隱患。

3.1 瓦斯抽采方法

根據(jù)抽放方法的選擇原則,結(jié)合趙莊二號井回采工作面的煤層賦存、瓦斯來源等特點(diǎn)和工作面所需的抽放量,確定的瓦斯抽放方法為頂板走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯,達(dá)到治理上隅角瓦斯的目的[5]。

采面采空區(qū)抽采方式采用頂板走向長鉆孔抽采方式,見圖2,在煤層工作面的回風(fēng)巷施工鉆場,鉆場布置迎向工作面推進(jìn)方向的頂板打8～10個(gè)扇形鉆孔,鉆孔終孔位置位于采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi),抽放采空區(qū)的瓦斯。同時(shí),通過抽采負(fù)壓作用,改變工作面后方采空區(qū)流場,達(dá)到解決工作采空區(qū)瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的問題[6]。

圖2 頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采方法示意圖Fig.2 Gas drainage approach with high position drilling along the roof

3.2 瓦斯抽采參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.2.1終孔層位確定

根據(jù)“O”型圈理論及以往經(jīng)驗(yàn),頂板高位鉆孔一般布置于裂隙帶內(nèi),而裂隙帶的一般范圍為采高的5倍～8倍,2314工作面的平均采高為4.26 m,初步判斷2314工作面的裂隙帶位于21.3 m～34.1 m的區(qū)域。根據(jù)趙莊二號井2314工作面的實(shí)際情況,進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。前期試驗(yàn)3號鉆場,為了提高鉆孔有效段長度,3號鉆場選擇的試驗(yàn)層位為30 m和38 m,每個(gè)鉆場設(shè)計(jì)8個(gè)鉆孔,兩排三花眼布置在1號、2號、3號和4號孔終孔層位選擇在頂板上30 m處位置(約7倍采高), 5號、6號、7號和8號孔終孔層位選擇在頂板上38 m處位置(約9倍采高),具體布置見圖3。

圖3 3號鉆場頂板高位鉆孔布置圖Fig.3 Layout of high position boreholes on the roof in No.3 gas drainage drilling field

圖4 3號鉆場頂板高位鉆孔層位示意圖Fig.4 Illustration of high position drilling layers in No.3 gas drainage drilling field

3號鉆場頂板高位鉆孔層位示意圖,見圖4。在3號鉆場抽采早期,發(fā)現(xiàn)鉆孔出水量比較大,對于抽采效果有較大影響,數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確,抽采后期,鉆孔出水量變小,根據(jù)回采進(jìn)度分析判斷,上覆巖層含水層位于30 m以上。為了提高抽采效果,避開上覆巖層含水層的影響,在4號和5號鉆場的設(shè)計(jì)過程中,將鉆孔布置層位下調(diào)至15 m～30 m進(jìn)行試驗(yàn)。4號、5號鉆場的鉆孔布置及參數(shù)見圖5-圖6。

圖5 4號鉆場頂板高位鉆孔層位示意圖Fig.5 Illustration of high position drilling layers in No.4 gas drainage drilling field

圖6 5號鉆場頂板高位鉆孔層位示意圖Fig.6 Illustration of high position drilling layers in No.5 gas drainage drilling field

3.2.2抽采量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

如圖7所示,3號鉆場的抽采純量與工作面推進(jìn)之間的關(guān)系,可以看出在工作面推進(jìn)至134.1 m至160.3 m之間的抽采純量較高,較最低點(diǎn)有4倍左右的放大,但持續(xù)時(shí)間較短,只有5 d左右。3號鉆場距離切眼距離為199.65 m,當(dāng)推進(jìn)至134.1 m時(shí),工作面距離3號鉆場65.55 m,工作面頂板距離鉆孔的垂直距離為20.13 m和26.33 m,由此初步可以推斷鉆孔終孔的層位在20 m左右效果較好,抽放時(shí)間短的原因是由于有效抽放層位較短。為延長有效抽放時(shí)間,可以將終孔層位適當(dāng)提高。

圖7 3號鉆場抽采量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系Fig.7 Relationship between drainage and advancing distance of working face in No.3 drilling field

如圖8所示,在4號鉆場的抽采數(shù)據(jù)中,1號-4號孔的層位為15 m,抽采純量保持在1 m3/min左右,當(dāng)推進(jìn)至203.7 m后呈現(xiàn)下降趨勢,5號-8號孔層位為20 m,在工作面推進(jìn)至192.1 m后抽采純量開始逐步上升至0.5 m3/min以上,且有繼續(xù)增加的趨勢。

圖8 4號鉆場抽采量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系Fig.8 Relationship between drainage and advancing distance of working face in No.4 drilling field

如圖9所示,在5號鉆場的抽采數(shù)據(jù)中,1號-3號孔的層位為18 m,在工作面推進(jìn)到180 m至190 m處,抽采純量保持在0.5 m3/min以上,后期呈現(xiàn)下降趨勢,4號-7號孔層位為23 m,在工作面推進(jìn)至200 m后,抽采純量快速上升,最大抽采純量達(dá)到了1.8 m3/min以上,8號-10號孔層位為28 m,在工作面推進(jìn)至190 m至205 m處,抽采純量達(dá)到峰值,后期逐漸平穩(wěn)并有上升趨勢。

圖9 5號鉆場抽采量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系Fig.9 Relationship between drainage and advancing distance of working face in No.5 drilling field

經(jīng)過3號、4號、和5號鉆場的試驗(yàn),分析鉆場抽采數(shù)據(jù)得出,當(dāng)終孔層位確定在距頂板15 m至25 m的位置抽采效果最佳。

3.2.3單個(gè)鉆場內(nèi)鉆孔數(shù)量及終孔間距研究

根據(jù)“O”型圈理論及晉煤集團(tuán)其他礦井的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),在距離回風(fēng)巷1/3處的范圍內(nèi)為瓦斯富集區(qū),鉆孔終孔位置理論上應(yīng)該布置在工作面距回風(fēng)巷1/3范圍內(nèi),而離回風(fēng)巷太近鉆孔容易受到回采影響而破壞[7],因而初步選擇靠近回風(fēng)巷的第1個(gè)孔終孔位置為距離回風(fēng)巷15 m處,考慮到單孔影響半徑為2.5 m,將孔間距設(shè)計(jì)為5 m,共依序布置8個(gè)孔,分兩排布置,8號孔終孔水平位置為工作面距回風(fēng)巷55 m位置,覆蓋工作面1/3的位置。

如圖10所示,5號鉆場設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔,6號鉆場設(shè)計(jì)8個(gè)鉆孔,當(dāng)抽采數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,測得5號鉆場30 d抽采的平均純量為1.861 m3/min,6號鉆場30 d抽采的平均純量為1.858 m3/min,基本一致,因而得出結(jié)論,抽采鉆場的鉆孔數(shù)量設(shè)計(jì)8個(gè)即可。

圖10 5號、6號鉆場平面圖Fig.10 Layout of No.5 and No.6 gas drainage drilling field

經(jīng)研究與現(xiàn)場試驗(yàn),抽采鉆孔單孔的瓦斯抽采影響半徑為2.5 m,一般將終孔間距設(shè)計(jì)為5 m較合理。鉆場鉆孔間距平面圖,如圖11所示。

圖11 鉆場鉆孔間距平面圖Fig.11 Plan of borehole intervals in drilling fields

3.2.4鉆場合理間距及鉆孔合理深度研究

根據(jù)臨近礦的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),高位鉆孔鉆場間距一般為50 m,鉆孔長度95 m,初步選擇第一個(gè)鉆場位于回風(fēng)巷距離工作面50 m～75 m位置處,先試驗(yàn)3個(gè)鉆場,第1號、2號鉆場間距為75 m,2號、3號鉆場間距為75 m。

根據(jù)鉆孔數(shù)目及巷道斷面大小,鉆場規(guī)格設(shè)計(jì)為5 m×4.5 m×4.6 m。鉆場合理間距示意圖見圖12。

圖12 鉆場合理間距示意圖Fig.12 Illustration of reasonable intervals in drilling fields

根據(jù)以上抽采效果的分析,當(dāng)鉆孔的終孔層位在15 m～25 m左右時(shí),效果最佳,當(dāng)5號和6號鉆場間距為75 m時(shí),6號鉆場終孔與5號鉆場重疊部位的層位為7.9 m,而15 m層位對應(yīng)的位置距7.9 m層位的水平距離為28 m,也就是說有將近28 m為抽采低效率范圍,因此,為了降低抽采盲區(qū),提高瓦斯抽采量,可將鉆場的間距縮短至50 m左右。或者將單個(gè)鉆孔的長度延長至140 m左右。

4 效果分析

通過頂板高位鉆孔參數(shù)的分析與優(yōu)化,趙莊二號井的瓦斯抽采純量由剛開始的3號鉆場鉆孔水大、抽不出瓦斯,到5號和6號鉆場平均單日瓦斯純量達(dá)到1.86 m3/min,平均每天抽采瓦斯2 678.4 m3,上隅角瓦斯?jié)舛扔勺罡邥r(shí)的0.7%,降低至現(xiàn)在平均0.17%,最大0.2%,效果顯著,保障了2314工作面的正常安全回采。

5 結(jié)論

1)根據(jù)回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果,提出采用頂板高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯,建立了井下臨時(shí)瓦斯抽采泵站。

2)對頂板高位鉆孔的終孔層位、鉆孔數(shù)量、鉆場間距等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化,優(yōu)化后,鉆場的單日瓦斯抽采純量得到了大幅提高,上隅角瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?最大體積濃度為0.2%。

3)實(shí)踐表明,建立瓦斯抽采系統(tǒng)是解決低瓦斯礦井高瓦斯區(qū)域上隅角瓦斯最有效的辦法。

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