煤層群開采工作面多源瓦斯抽采應(yīng)用研究

曾上徠

(興源礦業(yè)有限公司，湖南 耒陽 421800)

在煤層群開采條件下，首采煤層工作面開采后頂?shù)装宓淖冃问沟绵徑簬r層之間形成利于瓦斯運(yùn)移的裂隙和通道，導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量加大，易引起工作面瓦斯?jié)舛瘸?，制約工作面正?；夭蛇M(jìn)度，甚至威脅礦井安全生產(chǎn)[1-3]。

工作面回采后，采空區(qū)頂板變形垮落，由下到上形成三帶，即垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，三帶的受破壞程度和受力情況各有特征[4-5]，許多學(xué)者針對三帶的特征展開了大量研究和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。黃森林[6]通過現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，綜合得出工作面垮落帶高度，為高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)數(shù)據(jù)；韓彪[7]從經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬兩方面研究得出垮落帶和裂隙帶的高度，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并施工了高位鉆孔進(jìn)行裂隙帶瓦斯抽采，解決了鄰近層瓦斯涌出量大的問題；崔永青等[8]基于馬堡煤礦地質(zhì)特征，采用RFPA軟件模擬和現(xiàn)場考察，研究得到了礦井工作面開采后覆巖破斷與垮落規(guī)律，劃分了“三帶”的分布區(qū)域；杜康[9]采用UDEC數(shù)值模擬軟件對上屯留煤礦工作面上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了采空區(qū)上覆巖層垮落帶的發(fā)育規(guī)律和高度；楊楓等[10]現(xiàn)場進(jìn)行了裂隙帶高位抽采鉆孔、高位抽采巷道和采空區(qū)抽采鉆孔3種方法的對比試驗(yàn)，對3種鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，通過3種鉆孔進(jìn)行的瓦斯抽采杜絕了工作面瓦斯?jié)舛阮l繁超限的發(fā)生，加快了工作面推進(jìn)效率，且將高效抽采的瓦斯直接用于發(fā)電，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

上述研究都是針對采空區(qū)上方“三帶”和瓦斯抽采應(yīng)用，均取得了很大成效。本文基于礦井煤層群開采以及煤層賦存不穩(wěn)定的實(shí)際情況，研究工作面垮落帶和裂隙帶的高度范圍，通過提前施工鉆孔對裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采，有效降低工作面瓦斯涌出量，解決工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，以期對礦井的瓦斯治理和安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 礦井概況

興源礦業(yè)有限公司伍家沖煤礦主采6號(hào)煤層，上部2、3、5號(hào)煤層為不穩(wěn)定局部可采煤層。6號(hào)煤層厚度為0～20.2 m，平均厚度為3.31 m，上距5號(hào)煤平均距離為29.81 m；5號(hào)煤厚度為0～1.98 m，平均0.61 m；5號(hào)煤上部18.35 m為3號(hào)煤，平均厚度0.55 m；3號(hào)煤上部20.13 m為2號(hào)煤，平均厚度0.71 m。

2261工作面位于伍家沖煤礦22采區(qū)南翼，上至-195 m標(biāo)高為界，下至-244 m標(biāo)高為界，工作面平均走向長385 m，傾斜長102 m，面積39 270 m2，平均煤厚2.5 m，傾角12°。在2261工作面回采期間，工作面經(jīng)常出現(xiàn)超限事故，分析原因是由于其上鄰近煤巖層大量卸壓瓦斯通過貫穿的裂隙通道涌入回采區(qū)域，同時(shí)本煤層采空區(qū)遺煤瓦斯進(jìn)一步加大了工作面瓦斯涌出量，極易造成工作面瓦斯超限事故，威脅安全生產(chǎn)。

2 垮落帶和裂隙帶高度計(jì)算

2261工作面采用全部垮落法管理頂板，采高為2.5 m，則依據(jù)如下公式[11]計(jì)算可得工作面采空區(qū)上方垮落帶和裂隙帶高度分別為：

式中：M為開采高度，2.5 m。

計(jì)算可知，工作面的垮落帶和裂隙帶高度分別為12.30 m和24.68 m，則工作面垮落帶范圍大致為采空區(qū)上方0～12.30 m之間，裂隙帶高度范圍為采空區(qū)上方12.30～36.98 m之間。

3 瓦斯抽采鉆孔布置

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，煤層頂板變形垮落，逐漸形成垮落帶；而垮落帶上方的巖石受到下部垮落巖石的影響，導(dǎo)致壓力失衡進(jìn)而出現(xiàn)下沉，產(chǎn)生垂直斷裂或離層，最終形成裂隙帶，在此之間煤巖體內(nèi)積聚的瓦斯受卸壓影響而釋放，并在裂隙帶內(nèi)存儲(chǔ)下來，瓦斯壓力明顯增高，此時(shí)向該區(qū)域打入鉆孔，一方面為這些瓦斯提供了流動(dòng)的通道，另一方面抽采孔的負(fù)壓也會(huì)使瓦斯的流動(dòng)增強(qiáng)，從而抽采出大量卸壓瓦斯。

在工作面回風(fēng)巷靠工作面一側(cè)向煤層頂板方向以一定傾角掘進(jìn)一條長5 m左右的巷道，落平后布置鉆場，相鄰鉆場間距為30 m左右(可依據(jù)煤層賦存狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)，鉆場長2 m、寬2.2 m、高2.2 m，每個(gè)鉆場布置9個(gè)鉆孔，鉆孔終孔位置位于采空區(qū)上方15～40 m范圍裂隙帶內(nèi)，鉆孔終孔間距為6 m，鉆孔布置見圖1所示，表1所示為其中3號(hào)鉆場鉆孔參數(shù)。

圖1 垮落帶和裂隙帶瓦斯抽采鉆孔布置

表1 3號(hào)鉆場高位鉆孔施工參數(shù)

當(dāng)工作面推進(jìn)至抽采鉆孔的抽采范圍內(nèi)時(shí)，鉆場內(nèi)的瓦斯抽采鉆孔開始抽采作業(yè)，為保證抽采作業(yè)的持續(xù)性，當(dāng)前一個(gè)鉆場抽采作業(yè)結(jié)束時(shí)，后一個(gè)鉆場的鉆孔進(jìn)行接替抽采作業(yè)，以此形成循環(huán)接替抽采系統(tǒng)。

4 抽采效果分析

以3號(hào)鉆場的9個(gè)抽采鉆孔的瓦斯平均抽采效果為例，見圖2，當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔的抽采范圍內(nèi)時(shí)，鉆孔的瓦斯抽采效果開始顯現(xiàn)；隨著回采的進(jìn)行，采空區(qū)上部煤巖體垮落、裂隙增加，涌出的瓦斯通過抽采鉆孔被大量抽出，此時(shí)鉆孔處于高效抽采階段，抽采濃度和抽采流量大幅度增加，抽采鉆孔平均抽采濃度35%，平均抽采純量0.64 m3/min，最高達(dá)到1.50 m3/min；在鉆孔抽采的最后階段，鉆孔的絕大部分因垮落帶的垮落和隨裂隙帶的沉降而失效，抽采效果下降直至回采面推過鉆場，鉆孔作廢，下一抽采鉆場開始接續(xù)抽采。

圖2 裂隙帶鉆孔瓦斯抽采效果

作為游離瓦斯的富集區(qū)，裂隙帶內(nèi)瓦斯抽采效果較為理想，且能持續(xù)較長時(shí)間；同時(shí)在鉆場內(nèi)鉆孔抽采期間，工作面回風(fēng)流和上隅角瓦斯?jié)舛染诔逎舛戎狄韵拢瑹o瓦斯?jié)舛瘸奘鹿拾l(fā)生，說明所實(shí)施的瓦斯抽采措施達(dá)到了預(yù)期效果，大大降低了工作面風(fēng)排瓦斯壓力，保證了安全回采。

5 結(jié) 語

1) 工作面采空區(qū)垮落帶和裂隙帶的形成需要一定的時(shí)間，在此期間可通過提前合理施工瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，有效減少工作面的瓦斯涌出量。

2) 由于煤層賦存的不穩(wěn)定性，可依據(jù)煤層的賦存情況，靈活調(diào)節(jié)和合理施工裂隙帶抽采鉆孔，通過現(xiàn)場抽采效果考察，所施工的鉆孔可進(jìn)行采空區(qū)裂隙帶和鄰近煤巖層瓦斯的抽采(多源瓦斯抽采)，抽采濃度和純量分別為35%和0.64 m3/min，大大降低了風(fēng)排瓦斯壓力，解決了上隅角及回風(fēng)流瓦斯超限問題，保障了安全生產(chǎn)。