采動裂隙帶高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的應用探析

(平煤股份勘探工程處，河南 平頂山 467000)

0 引言

在煤礦開采的過程中，瓦斯是其最大的自然災害之一，隨著開采作業(yè)越來越深入，井下瓦斯涌出量也不斷增加。目前，大部分礦井都采用了綜采放頂煤開采，采空區(qū)會出現(xiàn)大量的瓦斯，對開采作業(yè)的安全性造成了較大的威脅，因此如何對瓦斯涌出進行有效的治理是避免上隅角瓦斯超標的關(guān)鍵。目前，采空區(qū)開展抽采作業(yè)所采用的方法主要有地面井抽采、高位定向長鉆孔抽采等等。在這些方法中，高位定向長鉆孔具有較多的優(yōu)勢，如較大的覆蓋面積、較高的瓦斯?jié)舛?、較大的流量等，并且施工較為迅速，鉆場布置較為靈活，縮短了施工時間，降低了巷道的任務量等等。目前，該方法已逐漸成為瓦斯治理的核心技術(shù)，可以將回風巷及上隅角中出現(xiàn)的瓦斯超限問題進行有效的處理。本文通過對這種抽采技術(shù)的工作原理進行分析，運用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，明確裂隙帶的發(fā)育高度及各個施工參數(shù)，并對該技術(shù)的應用效果進行詳細分析。

1 工作面的實際情況

2201綜采作業(yè)面主要以開采3號煤層為主，該煤層的構(gòu)造較為復雜，賦存較為可靠，其厚度大約為6.2 m，直接頂?shù)臉?gòu)成主要為泥巖及砂質(zhì)泥巖，與直接頂相比，老頂?shù)臉?gòu)成則多了一個粉砂巖，直接底的構(gòu)成為細粒砂巖和粉砂巖。將該作業(yè)面走向及傾向的長度分別設計為1 100和180 m，采取綜合機械化采煤法及完全垮落法來治理頂板。采取“U”型全負壓形式來進行通風，作業(yè)面的瓦斯涌出量最大為45 m3/min，其中采空區(qū)出現(xiàn)了22 m3/min的瓦斯涌出量，在作業(yè)面中占據(jù)了49%，瓦斯出現(xiàn)了較大的涌出，在開采的過程中。上隅角中存在的瓦斯主要來自于采空區(qū)，而由于受到大氣因素及作業(yè)面漏風的共同影響，其經(jīng)常出現(xiàn)超標問題，對礦井生產(chǎn)的安全性造成了極大影響。鑒于此，本文提出運用高位定向長鉆孔瓦斯抽采方法來治理作業(yè)面采空區(qū)的瓦斯狀況，避免上隅角出現(xiàn)瓦斯超標問題。

2 高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的原理

在實際開采的過程中，上覆巖層將會因采動區(qū)的影響而產(chǎn)生變形問題。在采空區(qū)的上端將會先后出現(xiàn)各種垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中在縱橫方向上裂隙帶發(fā)育分別出現(xiàn)了破斷和離層兩種裂隙。隨著作業(yè)面的深入開采，頂板的覆巖完全垮落之后，頂板巖層形成的裂隙將會被填實，而采空區(qū)周圍因煤壁的影響，使上、下方巖層仍然保持相應的離層裂隙，從橫向方向上的采空區(qū)邊界逐漸向中間形成了支撐區(qū)、離層區(qū)等，在這兩個區(qū)域間形成了一種有效的采動裂隙發(fā)育區(qū)，并且呈現(xiàn)出了閉合狀態(tài)，這就是“O”形圈。根據(jù)相應的研究可知，這不僅僅是確保瓦斯運行的主要渠道，而且是瓦斯匯集的關(guān)鍵區(qū)域。當瓦斯的密度過低或采空區(qū)出現(xiàn)漏風時，作業(yè)面因受到這兩個因素的共同影響，其上隅角周圍采空區(qū)的頂板裂隙中存在較多高濃度的瓦斯。這些瓦斯由于受到氣壓改變及通風負壓的影響，常常會利用裂隙通道而進到采掘區(qū)內(nèi)，使上隅角出現(xiàn)瓦斯超標現(xiàn)象。

在作業(yè)面回風側(cè)的頂板巖層中，高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是根據(jù)走向進行施工的定向長鉆孔，將鉆孔設置在頂板的裂隙帶中，詳見圖1，確保鉆孔固定在“O”形圈內(nèi)，在抽采負壓的影響下，裂隙帶存在的瓦斯將會在長鉆孔內(nèi)排出，轉(zhuǎn)變瓦斯的流場狀況，通過對裂隙帶內(nèi)的瓦斯進行截流，極大降低瓦斯的涌出量，變上隅角及回風側(cè)出現(xiàn)瓦斯超限。與一般高位孔相對比，該鉆孔具有較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區(qū)域，可以持續(xù)進行區(qū)域化抽采，具有顯著的技術(shù)特征。

圖1 高位定向長鉆孔裂縫帶布置

3 高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的應用

3.1 鉆孔層位的選擇

為了設置有效的長鉆孔層位，利用FLAC3D模擬法來分析作業(yè)面中上覆巖層采動裂隙的呈現(xiàn)規(guī)律。選擇頂板出現(xiàn)位移變化的位置來當作是裂隙的下限，而上限則選擇即將出現(xiàn)變形的巖層高度。通過對頂板裂隙帶在作業(yè)面掘進m時的發(fā)育狀況進行模擬可知，當作業(yè)面掘進100m之后，上覆巖層的裂隙發(fā)育達到了較強的穩(wěn)定性，其最終高度設置為15～48 m之間。由于下層出現(xiàn)了發(fā)育程度最高的裂隙帶，因此鉆孔必須盡可能低的設置，過高將會因裂隙較小而影響到瓦斯的抽采，經(jīng)過綜合考慮可將該長鉆孔的層位設定為20～35 m。

3.2 鉆孔布置參數(shù)

在該作業(yè)面的回風順槽中設置鉆場，其間距為400 m，相鄰鉆場的長鉆孔應當設置60 m的搭接距離，在每一個鉆場中分別設置6個頂板長鉆孔，其間距均為10 m，在先后經(jīng)過兩次的擴孔之后，可以將其直徑設置為300 m。將抽采的負壓設置為25 kPa，其鉆孔示意圖詳見圖2。

圖2 鉆孔布置

3.3 瓦斯抽采的效果分析

在回采作業(yè)開展的過程中，對該技術(shù)的各個參數(shù)進行持續(xù)的觀測，瓦斯的抽采量及濃度會隨著時間的變化而改變，由此可知，瓦斯抽采的純量及濃度分別為7.26～16.85 m3/min和28%～46%，兩者的平均值分別為11.26 m3/min和35%。根據(jù)抽采結(jié)果可知，瓦斯抽采的流量較為穩(wěn)定、時間較長及濃度較高，可以有效攔截到采空區(qū)的瓦斯，使作業(yè)面回風巷及上隅角的瓦斯?jié)舛炔粩嘟档?，在進行回采作業(yè)時上隅角瓦斯應當維持在左右的濃度，上隅角沒有產(chǎn)生瓦斯超限現(xiàn)象，具有較好的抽采效果。

4 結(jié)語

1)2201綜采作業(yè)面存在的瓦斯大多來源于采空區(qū)，同時也是導致上隅角存在瓦斯的主要因素，高位定向長鉆孔具有較多的優(yōu)勢，如較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區(qū)域等，可以持續(xù)進行區(qū)域化抽采。

2)利用FLAC3D模擬法來取得本作業(yè)面中裂隙帶的發(fā)育高度，大約為15～48 m，為了使抽采作業(yè)得以順利進行，應當將長鉆孔的層位設定在20～35 m之間。

3)根據(jù)現(xiàn)場實際應用的結(jié)果可知，這種抽采技術(shù)具有較多的應用優(yōu)勢，如流量較為穩(wěn)定、抽采率較高等，在開展回采作業(yè)時，上隅角應當維持0.5%的瓦斯?jié)舛?，并不存在超限問題，取得了較好的抽采效果，極大確保了煤礦生產(chǎn)的安全性。