綜放工作面采空區(qū)高位定向鉆孔抽采效果影響因素分析

曹文超，龔選平，李紅波，高 涵

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團有限公司王家?guī)X分公司，山西 河津 043300)

隨著國內(nèi)礦井機械化開采水平的提升，單U型通風(fēng)條件下的綜采綜放高效生產(chǎn)工作面上隅角瓦斯超限問題頻發(fā)，嚴重制約礦井安全高效開采[1，2]。普通高位鉆孔、采空區(qū)埋(插)管等傳統(tǒng)單一采空區(qū)瓦斯治理手段無法滿足單U工作面高強度開采的上隅角瓦斯治理需要[3-6]。近年來，隨著定向鉆進裝備及精準抽采技術(shù)的不斷完善，頂板高位定向鉆孔已成為當(dāng)前采空區(qū)瓦斯治理最有效的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，準確確定高位定向鉆孔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)對上隅角瓦斯治理具有重要科學(xué)意義。

國內(nèi)外學(xué)者對采空區(qū)瓦斯治理做了大量研究，程遠平[7]等基于采場裂隙發(fā)育及瓦斯流動規(guī)律對定向鉆孔進行了優(yōu)化，提高了瓦斯抽采率；侯國培[8]、李彥明[9]對比分析了普通鉆孔和定向高位鉆孔的有效孔深、瓦斯抽采效果等因素，肯定了頂板高位定向鉆孔的上隅角瓦斯治理效果；郝光生[10]等開展了頂板高位定向鉆孔差異化布置對抽采效果的影響分析，有效降低了上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋煌跻览赱11]等基于采空區(qū)頂板三帶理論對高位定向鉆孔的布置參數(shù)進行了優(yōu)化，并研究了鉆孔直徑對抽采效果的影響。綜上所述，前人學(xué)者研究主要集中于優(yōu)化綜采工作面高位鉆孔布置參數(shù)以提升高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，針對影響高位定向鉆孔抽采效果的其它因素研究較少，因此，本文在試驗工作面從布置層位、鉆孔孔徑、孔口抽采負壓三個方面對高位定向鉆孔的抽采效果影響進行綜合分析，對工作面高位定向鉆孔影響因素進行合理優(yōu)化。

1 工作面概況

王家?guī)X煤礦12311工作面開采2號煤層，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤法，采放比為1∶1，循環(huán)進度放煤步距0.85m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板；工作面走向長1316m，工作面傾向長度260m，煤層平均厚度5.9m，工作面煤層平均傾角-5°；工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，配風(fēng)量1900m3/min。工作面煤層賦存穩(wěn)定，一般含1—2層炭質(zhì)泥巖、泥巖夾矸；老頂為細粒砂巖，淺灰色，半堅硬；直接頂為泥巖，黑灰色，松軟；直接底為細粒砂巖，淺灰色半堅硬；老底為粉砂巖，灰黑色，波狀層理，粘土質(zhì)膠結(jié)，層面含煤屑，12311工作面煤層綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 12311工作面煤層綜合柱狀圖

圖2 高位鉆孔布置

2 高位定向鉆孔抽采效果影響因素分析

2.1 鉆孔布置參數(shù)對抽采效果的影響分析

高位鉆孔為達到高效抽采的要求，其布置位置應(yīng)處于裂隙帶中下部離層裂隙和破斷裂隙發(fā)育完全的區(qū)域，此區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高且通過裂隙通道可與采空區(qū)無障礙聯(lián)通，是采空區(qū)頂板瓦斯富集區(qū)域，亦是抽采鉆孔布設(shè)的理想位置。為了分析高位鉆孔布置平距和層位參數(shù)對鉆孔抽采效果的影響，找出合理的鉆孔布置平距/層位，本次統(tǒng)計了礦井14個抽采鉆場共計53個高位抽采鉆孔的布置參數(shù)和抽采數(shù)據(jù)進行整體分析。高位定向鉆孔布置層位與鉆孔抽采濃度及純量的關(guān)系如圖3所示，高位定向鉆孔布置平距與抽采濃度及純量的關(guān)系如圖4所示。

圖3 高位定向鉆孔布置層位與抽采數(shù)據(jù)散點圖

圖4 高位定向鉆孔布置平距與抽采數(shù)據(jù)散點圖

由圖3(a)可知，抽采濃度比較理想的鉆孔層位均在25～45m的范圍內(nèi)；當(dāng)高位鉆孔布置層位在25m以下時，鉆孔抽采濃度普遍偏低，并且鉆孔抽采濃度隨鉆孔層位的增加呈增大趨勢；當(dāng)高位鉆孔布置層位大于45m時，鉆孔抽采濃度呈減小趨勢。由圖3(b)可知，當(dāng)高位鉆孔布置層位在25m以下時，鉆孔抽采純量均在0.5m3/min以下，普遍較小，鉆孔抽采純量隨鉆孔層位的增加呈增大趨勢；鉆孔抽采效果較好的鉆孔層位區(qū)間均分布于層位25～45m的范圍內(nèi)；當(dāng)高位鉆孔布置層位在45m以上時，鉆孔抽采純量呈減小趨勢。綜合分析53個高位抽采鉆孔層位與抽采純量及抽采濃度的規(guī)律可以得出，高位抽采鉆孔的合理布置層位為25～45m。

由圖4(a)可知，53個高位鉆孔抽采濃度比較理想的鉆孔基本分布在平距25～65m的范圍內(nèi)；當(dāng)平距大于65m時，抽采濃度呈現(xiàn)減小趨勢。由圖4(b)可知，53個高位鉆孔抽采純量比較理想的鉆孔基本分布在平距25～60m的范圍內(nèi)；當(dāng)平距大于60m時，抽采純量呈現(xiàn)減小趨勢。綜合上述分析，考慮到采空區(qū)瓦斯流場分布及上隅角瓦斯控制的綜合因素，高位抽采鉆孔合理布置平距宜選擇在20～60m的范圍內(nèi)。

2.2 鉆孔抽采負壓對抽采效果的影響分析

鉆孔抽采負壓是引導(dǎo)瓦斯流動的人為施加的作用力，高位鉆孔的抽采負壓與采空區(qū)流場綜合作用形成瓦斯運移通道，進而保證鉆孔的抽采效果。一定范圍內(nèi)，隨著鉆孔抽采負壓的不斷增大，鉆孔抽采效果逐漸提升，當(dāng)負壓升至到某一臨界點時，受鉆孔封孔段煤巖體裂隙影響，鉆孔抽采效果會出現(xiàn)一定程度的下降。

為分析抽采負壓對抽采效果的影響，確定合理的抽采負壓范圍，在12311工作面2#鉆場進行了相關(guān)試驗。2#鉆場內(nèi)設(shè)計施工4個定向長鉆孔，單個鉆孔孔長500m左右，實驗區(qū)域為定向鉆孔的平直段，以避免層位變化對抽采效果的影響；實驗區(qū)段無地質(zhì)構(gòu)造，亦不在鄰近構(gòu)造區(qū)域影響范圍內(nèi)。通過工作面巷道口支管路上安設(shè)的蝶閥調(diào)整鉆場抽采負壓，分別對15kPa、20kPa、25kPa和30kPa的2#鉆場抽采參數(shù)進行監(jiān)測，4個高位定向孔的綜合抽采負壓、濃度和純量等抽采數(shù)據(jù)由安設(shè)在鉆場處的CJZ4Z型瓦斯綜合參數(shù)測定儀將鉆場抽采數(shù)據(jù)進行實時上傳。高位鉆場不同負壓下抽采數(shù)據(jù)平均值見表1。

表1 高位鉆場不同抽采負壓下抽采數(shù)據(jù)均值表

由表1可以看出，在不同的抽采負壓下，2#高位鉆場鉆孔平均瓦斯?jié)舛任闯霈F(xiàn)較大變化，基本維持在5.0%～5.3%范圍內(nèi)，亦說明抽采負壓對鉆孔瓦斯抽采濃度作用不明顯；高位鉆場抽采混量隨負壓變化出現(xiàn)較大變化，負壓在15～25kPa范圍時抽采混量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，之后隨負壓增大抽采混量減小，總體呈現(xiàn)近拋物線變化趨勢；不同負壓作用下的抽采純量變化規(guī)律與抽采混量變化情況相似。為進一步分析抽采負壓與抽采效果的關(guān)系，以不同負壓下的抽采純量數(shù)據(jù)作為研究對象進行數(shù)據(jù)擬合，找出抽采負壓對抽采效果影響的臨界值和內(nèi)在關(guān)系。抽采負壓與抽采純量擬合曲線如圖5所示。

圖5 抽采負壓與抽采純量擬合曲線

由圖5可知，抽采負壓與抽采純量擬合關(guān)系表現(xiàn)為拋物線型二次平方關(guān)系，抽采負壓與抽采純量的對應(yīng)關(guān)系為式(1)，通過式(1)可求得抽采純量最大值時對應(yīng)的抽采負壓為22.7kPa，即抽采負壓為22.7kPa時，高位鉆孔抽采純量最大，抽采效果最好。

S=-0.018N2+0.820N-6.1875

(1)

式中，S為鉆孔抽采純量，m3/min；N為鉆孔抽采負壓，kPa。

2.3 鉆孔孔徑對抽采效果的影響分析

高位定向鉆孔有效鉆孔段隨工作面推進過程中頂板三帶的移動而發(fā)生變化，隨著鉆孔孔徑的增大，鉆孔周圍裂隙暴露數(shù)量和面積增加，在同樣的抽采負壓條件下鉆孔抽采量和抽采有效影響半徑均增大，但是受施工設(shè)備能力和施工成本影響，應(yīng)結(jié)合礦井實際綜合確定鉆孔最優(yōu)孔徑。

表2 不同孔徑定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)和施工成本對比表

3 高位鉆孔優(yōu)化方案及效果分析

3.1 高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計方案

在綜合鉆孔布置參數(shù)、抽采負壓和鉆孔孔徑分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際情況對12311工作面4#鉆場高位定向鉆孔進行了優(yōu)化設(shè)計，鉆孔優(yōu)化設(shè)計參數(shù)見表3。

3.2 抽采效果分析

4#高位鉆場按設(shè)計施工完成后接抽，通過安設(shè)在鉆場分支管路上的在線監(jiān)測裝置對抽采數(shù)據(jù)實時收集，并對工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)進行月度統(tǒng)計，工作面瓦斯涌出及抽采純量關(guān)系曲線如圖6所示。

表3 4#高位鉆場鉆孔設(shè)計參數(shù)

圖6 工作面瓦斯涌出及抽采純量關(guān)系曲線

由圖6可知，12311工作面4#高位鉆場平均抽采純量3.1m3/min，平均風(fēng)排瓦斯量4.2m3/min，工作面平均瓦斯涌出量7.3m3/min；4#高位鉆孔瓦斯抽采率為45.5%，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.23%。高位定向鉆孔抽采參數(shù)優(yōu)化后抽采純量增大1.0m3/min，抽采純量提高47.6%，瓦斯抽采率提高15.5%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葴p小0.15%。參數(shù)優(yōu)化后的高位定向鉆孔抽采純量增大，有效降低了回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，采空區(qū)瓦斯治理效果得到提升。

4 結(jié) 論

1)綜合分析53個高位定向鉆孔布置層位、平距與抽采純量及抽采濃度的規(guī)律得出礦井高位抽采鉆孔布置層位為25～45m、平距為20～60m時鉆孔抽采效果較好。

2)通過對抽采負壓15kPa、20kPa、25kPa和30kPa的現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，隨抽采負壓增加鉆孔抽采效果總體呈現(xiàn)近拋物線變化趨勢，通過曲線擬合確定鉆孔最佳抽采負壓為22.7kPa。

4)參數(shù)優(yōu)化后的高位鉆場抽采純量和瓦斯抽采率數(shù)據(jù)明顯提高，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔行Ы档?，采空區(qū)瓦斯治理效果進一步提升。