定向頂板鉆孔與普通頂板鉆孔抽放效果對(duì)比研究

霍曉林(山西冀中能源集團(tuán)金暉萬(wàn)峰煤礦有限公司， 山西 呂梁 032300)

1 前言

隨著煤炭的不斷開(kāi)采，礦井開(kāi)采深度逐年加深，礦井面臨的瓦斯災(zāi)害影響更為嚴(yán)峻[1]。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，礦井回采工作面瓦斯涌出中約有1/2來(lái)自于采空區(qū)，回風(fēng)巷上隅角瓦斯極其容易出現(xiàn)超限，影響礦井安全生產(chǎn)[2]。到目前為止，對(duì)采空區(qū)瓦斯治理有加大通風(fēng)量、減少漏風(fēng)、加強(qiáng)瓦斯抽放等方法。有的學(xué)者提出通過(guò)改變局部通風(fēng)系統(tǒng)、減少漏風(fēng)量來(lái)治理采空區(qū)瓦斯[3-6]；有的學(xué)者采用數(shù)值模擬手段，為采空區(qū)瓦斯抽采提供參考[7-10]；有的學(xué)者從定向鉆孔施工方面進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理研究[11-12]；有的學(xué)者從綜合治理的方面進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理[13-16]。以往研究很多，但是從構(gòu)造曲率方面出發(fā)，針對(duì)采用頂板鉆孔治理工作面上隅角瓦斯不同抽采鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析。因此，以萬(wàn)峰煤礦1105綜采工作面為背景，對(duì)兩種不同的瓦斯抽采鉆孔布置進(jìn)行對(duì)比分析，以期能為該礦瓦斯治理提供借鑒。

2 礦井概況

萬(wàn)峰礦區(qū)總體位于一向北東緩傾斜的單斜構(gòu)造，由于受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，開(kāi)采范圍內(nèi)，煤巖層走向基本是近北西向方向，傾向基本是北東，煤巖層傾角在3°～12°。礦井布置的首采區(qū)內(nèi)共探測(cè)出21條斷層，其中有7條斷層落差大于5m，3條斷層落差在2～5m，其余的11條斷層落差在2m以內(nèi)，首采區(qū)內(nèi)未探測(cè)出陷落柱。1105工作面位于井田西部側(cè)，開(kāi)采1號(hào)煤層，平均厚度為1.6m，瓦斯含量為9.83m3/t。

3 基于構(gòu)造曲率的滲透率空間展布規(guī)律

3.1 曲率預(yù)測(cè)滲透性的原理

構(gòu)造曲率在一定程度上可以反映煤層滲透性。曲率計(jì)算如圖1所示，根據(jù)勾股定理可知

(1)

Δh′=(Zi+1-Zi-1)/2-Zi

(2)

圖1 曲率計(jì)算示意圖

由于煤層的曲率一般都很小，即R?Δh，由此可近似的將Δh′代替Δh。

(3)

由上述推理可得出曲率的近似計(jì)算式為

r=2Δh′/[Δh′2+(Zi+1-Zi-1)2/4]+W′g2]

(4)

式中，Zi+1、Zi-1、Zi分別表示不同的網(wǎng)格點(diǎn)位置高程，m；Δh表示垂直高度差，m；Δh′表示鉛直高度差，m；r為曲率；Wg表示網(wǎng)格尺度小。

3.2 煤層滲透率預(yù)測(cè)

(1) 對(duì)1105工作面開(kāi)采的1號(hào)煤層底板等高線進(jìn)行數(shù)字化處理，并根據(jù)需要精度，采用sufer進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(2)使用曲率計(jì)算分析軟件計(jì)算4個(gè)方向曲率，并取最大值為該點(diǎn)的曲率值。

(3)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，分析確定滲透率與曲率值關(guān)系，對(duì)1105綜采工作面滲透率進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

3.3 煤層滲透率展布規(guī)律

對(duì)不同曲率值區(qū)域進(jìn)行取樣實(shí)驗(yàn)，得出的滲透率與曲率值間關(guān)系見(jiàn)表1。從表1中可以看出：在曲率值較高區(qū)域，煤巖體較為破碎、裂隙發(fā)育、滲透率較高；在曲率值處于中等范圍內(nèi)時(shí)，煤巖體受到構(gòu)造作用不明顯，煤巖體中裂隙處于中等發(fā)育水平，滲透率處于中等；在曲率值較低區(qū)域，煤巖體完整性較好，滲透率較低。根據(jù)1105綜采工作面曲率值與滲透率分布關(guān)系，將回采工作面劃分成3類不同區(qū)域，具體如圖2所示。

表1 滲透率與曲率值關(guān)系

圖2 1105工作面曲率分布圖

根據(jù)曲率分布圖可以看出，在Ⅰ類區(qū)域?yàn)榈蜐B區(qū)；Ⅱ類區(qū)域?yàn)楦邼B區(qū)；Ⅲ類區(qū)域?yàn)橹袧B區(qū)。

3.4 鉆孔層位確定

頂板鉆孔布置的層位直接影響回采工作面采空區(qū)及釆動(dòng)影響區(qū)的瓦斯抽釆效果。布孔層位的原則主要考慮2個(gè)因素：一是鉆孔的施工質(zhì)量，即將鉆孔布置在易鉆進(jìn)成孔且鉆孔不塌孔的地區(qū)，盡量避免容易塌孔的地層。二是鉆孔的瓦斯抽釆效果，即將鉆孔布置在釆動(dòng)影響的裂隙比較發(fā)育的范圍內(nèi)，從而使鉆孔與釆動(dòng)裂隙形成有效連通。

裂隙帶高度為

(5)

式中，H為裂隙帶高度，M為采高。

1105工作面采用的是頂板鉆孔抽釆裂隙帶瓦斯。目前，該礦常用普通頂板鉆孔和定向頂板鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，本次對(duì)這兩種鉆孔瓦斯治理效果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，鉆孔有效抽釆布置層位為8～12m，在回采工作面分別取一個(gè)高滲區(qū)和一個(gè)低滲區(qū)回采段作為研究對(duì)象，即距工作面切眼600m范圍內(nèi)和距工作面600～1 200m施工定向頂板鉆孔及普通頂板鉆孔。

1)普通頂板鉆孔設(shè)計(jì)

在1105回采工作面回風(fēng)巷布置抽采鉆場(chǎng)，并采用錨網(wǎng)支護(hù)。抽采鉆孔布置為為扇形，鉆孔終孔間距應(yīng)小于鉆孔有效抽采半徑的2倍。

采用式(5)并將相關(guān)參數(shù)帶入，得到在低滲透區(qū)(Ⅰ類區(qū)域)鉆孔鉆進(jìn)深度70～100m。在高滲透區(qū)(Ⅲ類區(qū)域)鉆孔鉆進(jìn)深度70～100m。

2)定向頂板鉆孔設(shè)計(jì)

鉆孔布置于1105工作面回風(fēng)巷，鉆場(chǎng)采用錨網(wǎng)支護(hù)，錨桿間距800mm，網(wǎng)間要綁扎牢固。定向鉆孔造平后成平行布置孔深300m。

鉆孔間距的計(jì)算方法為

H<2r

(6)

式中，r為鉆孔有效抽采半徑，根據(jù)抽采經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的，m；H為鉆孔間距，m。

通過(guò)將參數(shù)代入式(5)對(duì)排放半徑進(jìn)行計(jì)算，考慮工作面回采對(duì)頂板造成的釆動(dòng)影響，得出了不同滲透性區(qū)域鉆孔間距，具體見(jiàn)表2。具體鉆孔布置如圖3所示。

表2 不同滲透區(qū)域鉆孔間距

圖3 鉆孔布置示意圖

具體不同類型鉆孔瓦斯抽采比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抽采效果對(duì)比表

從表中可看出，在相同時(shí)間內(nèi)定向頂板鉆孔比普通頂板鉆孔瓦斯抽采高131 744m3，鉆孔總長(zhǎng)縮短1 963m，在1105工作面定向頂板鉆孔具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

基于對(duì)1105工作面的研究，得出以下結(jié)論：

(1)采用構(gòu)造曲率法，并根據(jù)1105工作面煤層頂板巖性、煤層裂隙發(fā)育情況及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，可預(yù)測(cè)煤層頂板滲透率，預(yù)測(cè)結(jié)果可信度較高。

(2)根據(jù)預(yù)測(cè)到的滲透率差異選用不同的鉆孔布置方式，從而做到針對(duì)性瓦斯治理。

(3)采用工程類比發(fā)對(duì)定向鉆孔、普通鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明在1105工作面定向鉆孔瓦斯治理效果更明顯。