主焦煤礦高位抽采問題探討

賈 佳，王奕博，楊志忠，劉 帥，李文福

(安陽市主焦煤業(yè)有限責任公司，河南 安陽 455000)

0 引言

由于采空區(qū)瓦斯自身的升浮、擴散特性，以及工作面漏風的客觀存在、工作面風流流動特性等原因，采空區(qū)瓦斯會在工作面上隅角處局部積聚。同時因為工作面開采移架后上覆巖層的垮落，會形成一條可供瓦斯擴散積聚的離層間隙帶。因此，對采用高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯的抽采方式而言，弄清楚離層裂隙帶的發(fā)育區(qū)域分布情況從而確定合理的抽采設計參數(shù)顯得尤為重要。在對于采空區(qū)離層間隙的分布位置的研究中，大多采用Fluent軟件通過對流速、瓦斯?jié)舛取⒀鯕鉂舛鹊姆植歼M行模擬，從而間接的確定其分布位置。但弊端為由于采空區(qū)自身的復雜性，以及模擬時所設置前提條件的理想化，從而導致在指導現(xiàn)場施工時往往達不到預期效果[1-6]。因此，文中以關鍵層理論，O型圈理論，采動裂隙橢拋帶理論為理論支撐，以現(xiàn)場抽采數(shù)據(jù)為比對依據(jù)，對主焦煤礦2308工作面高位抽采效果進行分析，從而給出該煤礦高位鉆孔抽采參數(shù)的優(yōu)化建議。

1 工作面概述

主焦煤礦2308工作面位于23采區(qū)北翼最下部，采用U型通風系統(tǒng)。進、回風順槽沿煤層底板布置，采用36 U型鋼棚支護，工作面采用ZF2400-16/24型液壓支架支護，上、下端頭采用ZFG2400-16/24型過渡支架支護。工作面采高為2.2 m，平均走向長度678.8 m，工作面平均傾斜長度140.3 m，煤層厚度平均6.0 m，工作面平均傾角為14°?；夭善诠ぷ髅娼^對瓦斯涌出量4.2 m3/min，煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)為19.26%，煤層自燃傾向性為Ⅲ類不易自燃，無沖擊地壓危害，周期來壓步距14 m，礦壓顯現(xiàn)不明顯?，F(xiàn)采用高位抽采和上隅角插管的方式共同治理采空區(qū)瓦斯，以防止上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

2 高位鉆孔抽采最終孔區(qū)域理論分析

根據(jù)錢鳴高院士提出的“關鍵層”理論[7]，綜放工作面在移架放頂后，上覆巖直接頂隨頂煤的放落而垮落，但總會有一層較為堅硬的巖層可以阻止巖層的繼續(xù)垮落，因此可將這一巖層(老頂)稱為采空區(qū)上覆巖的關鍵層。在該理論的支持下，結合上覆巖層受到采動影響的應力作用，可將上覆巖層劃分為冒落帶、裂隙帶，以及彎曲下沉帶三帶。同時考慮到其關鍵層巖層斷裂的“O-X”特性、頂板周期來壓的應力作用，以及四周煤壁的支撐影響作用，在采空區(qū)內(nèi)部形成了一種“O”型的瓦斯流動通道，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)O型圈示意

從圖1中可以看出，采空區(qū)中部由于上覆巖層的垮落較為充分，瓦斯在這個區(qū)域內(nèi)難以流動，采空區(qū)漏風主要在采空區(qū)近回風側的半圓拱形的初垮空間內(nèi)流動。因此，在針對實際工程需要的情況下，高位鉆孔抽采的鉆孔終孔點位置大多布置在采空區(qū)近回風隅角一側，通過降低風流中瓦斯含量，以及影響風流流場的局部流態(tài)的方式，達到控制上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖饔?。但由于“O”型圈理論所呈現(xiàn)采空區(qū)二維空間的局限性，李樹剛等[8]通過對大批煤礦現(xiàn)場觀測以及進行相似模擬試驗，得出了采空區(qū)三維空間內(nèi)的上覆巖層中內(nèi)外橢拋帶之間形成的帽狀采動斷裂帶，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)橢拋帶示意

由圖2可知，由內(nèi)外橢拋面所構成的橢拋帶為采空區(qū)瓦斯的密集區(qū)域，其分布結合我國學者的基于三維“O”型圈的采空區(qū)風流流場、瓦斯?jié)舛忍荻葓瞿M結果可知[9-11]，瓦斯流動隨采空區(qū)沿走向深度的不斷加深而逐漸減弱，并趨于穩(wěn)態(tài)；瓦斯?jié)舛入S采空區(qū)沿走向深度的不斷加深而逐漸升高，并達到極值。同時結合上文的分析可以得出，采空區(qū)高位抽采的最佳區(qū)域應為采空區(qū)近回風側的拱形區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域的特點是以工作面上隅處為起點，沿工作面傾向垂距逐漸升高，沿工作面傾向走向距逐漸降低。

3 主焦煤礦高位鉆場抽采數(shù)據(jù)分析

3.1 鉆場的施工布置

主焦煤礦采用高位鉆孔抽采的方式治理2308工作面的采空區(qū)瓦斯，其設計方式為每隔60 m設置一個高位鉆場，鉆場內(nèi)共設計18個鉆孔，采用8個鉆孔為一排，共分3排布置的方式。通過前期試鉆觀測抽采效果的方式得到采空區(qū)冒落帶上頂高度為8～10 m，裂隙帶上頂高度為35～50 m，鉆孔有效抽采半徑約5 m。由此設計距開孔點最大垂距為30 m，距回風巷里幫最大水平距為30 m，鉆孔布置示意圖，如圖3所示。

由圖3可知，主焦煤礦利用每排奇數(shù)孔垂距25 m，偶數(shù)孔垂距30 m的方式，在5#鉆場抽采失效后，由6#鉆場的18個鉆孔接力抽采，鉆孔兩兩交錯，以保證鉆孔間互不干擾，立體式抽采采空區(qū)瓦斯，其鉆場鉆孔施工布置示意圖，如圖4所示。

圖4 鉆場鉆孔施工布置示意

圖3 高位鉆場布置示意

3.2 鉆場抽采數(shù)據(jù)分析

通過利用便攜式光學瓦斯?jié)舛葴y量儀每天對鉆場內(nèi)18個孔進行逐個測量，并將收集到的數(shù)據(jù)進行處理，得1#～18#鉆孔瓦斯?jié)舛入S工作面日推進度的變化曲線圖，如圖5所示，其中工作面日推進速度為1.8 m/d，并記X為6#高位鉆場與上隅角之間的水平距離。

由圖5可知，在6#高位鉆孔接力抽采后，其5#、6#、11#、12#、15#、16#鉆孔抽采濃度整體較高，基本分布在30%～60%區(qū)域內(nèi)，證明這6個鉆孔抽采效果良好。觀察圖5(a)可知，這6個鉆孔終孔點皆位于距上隅角沿工作面方向24～30 m的距離內(nèi)。這一實測結果與上一節(jié)理論分析中的采空區(qū)中部裂隙發(fā)育程度高與采空區(qū)近煤壁兩側的結論相印證。同時測量并整理在x=48 m、43 m、38 m、33 m時的上隅角瓦斯?jié)舛?，抽采純量的變化曲線圖，如圖6所示。

圖5 1#～18#鉆孔瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

觀察圖6，隨著工作面的不斷推進，抽采純量呈現(xiàn)一段先增大，繼而平緩，隨后升高的趨勢，上隅角瓦斯?jié)舛认冉档?，繼而在約x=43 m處往后的位置進行較為穩(wěn)定的波動性變化。結合6#高位鉆場設計中鉆孔終孔點控制區(qū)域的分析，可知：當x值較大時，1#～6#鉆孔終孔點位于采空區(qū)裂隙中的瓦斯高濃度聚集區(qū)域內(nèi)，但此處距離工作面走向距離較遠，結合同期觀測到的抽采負壓異常升高的情況，此區(qū)域工作面漏風量較少，對采空區(qū)漏風流中的瓦斯含量影響較低，同時7#～18#鉆孔終孔點位于采空區(qū)初冒及過渡發(fā)育區(qū)域，此處裂隙發(fā)育尚不成熟，造成此處抽采效果較差，從而共同導致了上隅角瓦斯?jié)舛绕叩默F(xiàn)象；當x值較小時，鉆孔終孔點垂距降低，11#、12#、15#、16#鉆孔位于裂隙發(fā)育較好的采空區(qū)采動影響區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域工作面漏風活動較為活躍，漏風流中的瓦斯由抽采鉆孔處引排并得以稀釋，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行Э刂啤?/p>

圖6 不同x值時瓦斯抽采數(shù)據(jù)變化曲線

綜上所述，對于主焦煤礦2308工作面而言，在距離上隅角較近的采空區(qū)立體垮落區(qū)域內(nèi)。高位抽放效果較差，可分為2個階段進行分析：第1階段，采空區(qū)上覆巖初垮后，裂隙發(fā)育尚不成熟，1#～4#，7#～10#鉆孔仍能抽到游離并聚集在裂隙帶內(nèi)的瓦斯，但由于工作面漏風在此處流動較不活躍，鉆孔抽采對采空區(qū)漏風流中的瓦斯稀釋能力較弱；第2階段，伴隨著工作面推進，鉆孔終孔高度隨著上覆巖的垮落而降低，但仍處于裂隙帶區(qū)域內(nèi)，由于裂隙的不連貫性發(fā)育，導致抽采鉆孔出現(xiàn)了不規(guī)則的抽采瓦斯?jié)舛壬呋蚪档偷默F(xiàn)象，但仍由于采空區(qū)漏風活動規(guī)律的緣故，對采空區(qū)漏風流中的瓦斯稀釋能力較弱。同理，距上隅角較遠的采空區(qū)立體垮落區(qū)域內(nèi)，裂隙發(fā)育較為成熟，形成了一條較為完整的漏風通道[12]，抽采濃度較高，對采空區(qū)漏風流中的瓦斯稀釋能力較強，這區(qū)域結合實測數(shù)據(jù)可知為沿工作面傾向距上隅角24～30 m的范圍內(nèi)。

4 結論

(1)通過比對不同高位鉆場距上隅角水平距離下1#～18#鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)后，并結合對采空區(qū)橢拋帶的理論分析，可知主焦煤礦2308工作面的高位鉆場最佳抽采區(qū)域應為沿工作面傾向距上隅角24～30 m的范圍內(nèi)。后期可通過調(diào)整鉆孔終孔位置、密集度，調(diào)節(jié)抽采流量等方式對2308工作面的采空區(qū)瓦斯治理工作進行優(yōu)化。

(2)通過結合鉆孔設計，以及在不同工作面推進度時抽采純量與上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓€分析，對其中的變化規(guī)律進行了邏輯解釋，并得到高位鉆場在實際施工及后續(xù)檢測時，應注重對工作面漏風的流動區(qū)域，采空區(qū)裂隙的發(fā)育空間規(guī)律，以及頂板的冒落動態(tài)變化進行綜合分析，以達到在實際生產(chǎn)中有效地進行動態(tài)治理。