高位鉆場合理布置間距問題探討

華 帥，畢寸光，徐 星

(1.安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455100； 2.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

瓦斯防治一直是我國煤礦開采過程中重點(diǎn)關(guān)注的安全問題。在采用高位抽采措施治理采空區(qū)瓦斯的研究中，眾多學(xué)者從理論推導(dǎo)、模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場觀測等方面對采空區(qū)的漏風(fēng)流態(tài)、瓦斯分布、抽采鉆孔終孔點(diǎn)方位進(jìn)行了論述，并得到了較為成熟的理論體系及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-10]。在此基礎(chǔ)上，本研究以高位鉆場抽采的連續(xù)性為研究重點(diǎn)，以主焦煤礦2308工作面為研究對象，以理論分析和現(xiàn)場觀測的方式論證主焦煤業(yè)高位鉆場抽采合理間距的選取，以期為同類煤礦提供借鑒。

1 高位鉆場抽采間距的確定方法

高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯是指在回風(fēng)巷布置高位鉆場，沿上隅角方向向采空區(qū)設(shè)計(jì)具有一定傾向和方位角的鉆孔，打鉆抽采采空區(qū)瓦斯，以達(dá)到治理上隅角瓦斯積聚的目的，相較高抽巷具有消耗精力少、經(jīng)濟(jì)效益相對較高、不需要布置額外施工巷道的優(yōu)點(diǎn)。從理論上來講，高位鉆孔的抽采效果受到采空區(qū)裂隙發(fā)育程度的影響，隨著每一次巖層應(yīng)力的重新分布，在開采層上部一定空間范圍內(nèi)就會(huì)形成一個(gè)網(wǎng)狀分布的巖層裂隙帶，即煤層中瓦斯充分流動(dòng)的釋放區(qū)域，其高位抽采參數(shù)的計(jì)算示意圖見圖1。

如圖1所示，與高位鉆孔施工相關(guān)的參數(shù)主要有裂隙帶可抽高度、鉆孔軸線在巷道方向的投影長度、終孔點(diǎn)距離回風(fēng)巷平距、有效平距、終孔高度、鉆孔終孔點(diǎn)距煤層頂板法距、鉆場間距、鉆孔間距等。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，通過計(jì)算工作面采空區(qū)裂隙帶與冒落帶的上頂高度，可確定鉆孔終孔點(diǎn)OC的高度，通過計(jì)算采空區(qū)O型泄壓圈的寬度(一般為巷道寬度的3～4倍)，可確定鉆孔終孔點(diǎn)OB的長度，它們與設(shè)計(jì)抽采的孔深LZK、鉆孔傾角α與方位角β滿足

在反復(fù)打鉆試抽后，確定合理的抽采高度與寬度，即可保證高位抽采達(dá)到治理效果。但隨著工作面的不斷推進(jìn)，鉆孔受采空區(qū)垮落的影響不斷塌孔，OC的高度不斷降低，當(dāng)終孔點(diǎn)位于采空區(qū)初垮裂隙發(fā)育不成熟的位置時(shí)，抽采效果大大降低，此時(shí)需要下一組高位鉆場中的鉆孔接力抽采。因此，合理的鉆場抽采間距可以保證高位鉆場抽采效果的連續(xù)性，其理論分析示意圖見圖2。

圖1 高位抽采參數(shù)計(jì)算示意圖Fig.1 Calculation diagram of high-level zextraction parameters

圖2 高位抽采鉆場間距理論分析示意圖Fig.2 Theoretical analysis diagram of spacing between high-level extraction and drilling fields

如圖2所示，當(dāng)OC≈冒落帶高度時(shí)，可通過圖1的三角函數(shù)關(guān)系解出LCD的值，其中LCD≈OA-LZC，即可求出鉆場間距LZC。但在實(shí)際生產(chǎn)中，工作面上覆巖層受開采而導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，其各區(qū)、各帶之間界限模糊且變化不規(guī)律，可通過觀測抽采過程中抽采濃度、抽采純量等數(shù)據(jù)的變化情況，再通過推進(jìn)度反算出LCD的值，間接對原設(shè)計(jì)鉆場間距進(jìn)行重新核算。

2 主焦煤礦高位鉆場合理布置間距的確定

主焦煤礦采用高位鉆孔抽采方式治理2308工作面的采空區(qū)瓦斯，其設(shè)計(jì)方式為每隔 60 m設(shè)置一個(gè)高位鉆場，鉆場內(nèi)共設(shè)18個(gè)鉆孔，8個(gè)鉆孔為一排，共分3排布置。前期通過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(shè)計(jì)距開孔點(diǎn)最大垂距為30 m、距回風(fēng)巷里幫最大水平距為30 m，鉆孔布置示意圖如圖3所示。

圖3 高位鉆場布置示意圖Fig.3 Layout of high level drilling field

在5#高位鉆場鉆孔預(yù)計(jì)終孔點(diǎn)位于冒落帶高度附近區(qū)域時(shí)，連接6#高位鉆場的鉆孔進(jìn)行聯(lián)抽，每天測量5#鉆場與6#鉆場的組抽采混量、抽采純量、上隅角瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并制成隨日推進(jìn)度變化的曲線，如圖4所示。圖4中，橫坐標(biāo)為根據(jù)日推進(jìn)度推算的6#鉆場距離工作面上隅角處水平距離。

圖4 不同日推進(jìn)度下抽采數(shù)據(jù)曲線Fig.4 Curve chart of extraction data under different daily schedule

由圖3與圖4可知：(1)在6#高位鉆場距離工作面上隅角75～82 m處，5#高位鉆場的抽采混量與抽采純量都處于較低的水平，同時(shí)6#高位鉆場的抽采混量、抽采純量保持穩(wěn)定狀態(tài)，原因是5#高位鉆場的鉆孔終孔點(diǎn)已處于冒落帶左右，裂隙發(fā)育程度不成熟，抽采效果較差，而6#高位鉆場的鉆孔終孔點(diǎn)位于采空區(qū)初垮區(qū)域的裂隙帶內(nèi)。根據(jù)采空區(qū)橢拋帶理論[11-15]，這個(gè)區(qū)域由于關(guān)鍵層的存在，裂隙發(fā)育高度較低，故推斷這一斷面上出現(xiàn)了設(shè)計(jì)孔高大于裂隙發(fā)育高度的情況，導(dǎo)致抽采效果較差、高位抽采的連續(xù)性較弱。結(jié)合上隅角處瓦斯?jié)舛鹊淖兓€(見圖5)，可認(rèn)為這個(gè)區(qū)域?yàn)楦呶怀椴傻慕硬缡Х€(wěn)區(qū)，長度為7 m。

圖5 不同日推進(jìn)度下上隅角處瓦斯?jié)舛绕骄登€ Fig.5 Average value curve of gas concentration at upper corner under different daily progress

(2)隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，6#高位鉆場的抽采混量與抽采純量升高并保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)5#高位鉆場的抽采混量與抽采純量出現(xiàn)了兩次跳變，但同時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛缺３址€(wěn)定狀態(tài)。原因是隨著工作面的推進(jìn)，6#鉆場的鉆孔隨著采空區(qū)不斷垮落，位于采空區(qū)裂隙帶發(fā)育成熟區(qū)域，達(dá)到了設(shè)計(jì)的抽采效果，保證了高位抽采的連續(xù)性。同時(shí)，5#高位鉆場的鉆孔終孔點(diǎn)位置進(jìn)一步降低，又因采空區(qū)上覆巖層的不規(guī)則冒落，出現(xiàn)了與采空區(qū)初垮空間貫通的漏風(fēng)通道，發(fā)生了2次抽采混量與抽采純量升高的現(xiàn)象，而在其他時(shí)間內(nèi)，通道隨著進(jìn)一步垮落而封閉，5#高位鉆場重新處于低效率抽采狀態(tài)。

綜上，可知主焦煤礦2308工作面高位鉆場設(shè)計(jì)布置間距為60 m，在6#高位鉆場距離工作面上隅角75～82 m處存在一個(gè)接茬失穩(wěn)區(qū)，長度為7 m，在此區(qū)間相鄰兩個(gè)高位鉆場抽采效果都處于較低水平。但隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，6#高位鉆場鉆孔抽采效果逐步提升，5#高位鉆場抽采通道隨著工作面進(jìn)一步垮落而封閉、抽采效率降低。因此，考慮到采空區(qū)上覆巖不均衡冒落的因素，可將下一組抽采鉆場布置間距由60 m改為50 m，避免出現(xiàn)接茬失穩(wěn)區(qū)。并根據(jù)前面的分析，重新調(diào)整鉆孔高度與水平度，確保終孔點(diǎn)位于采空區(qū)裂隙發(fā)育較為成熟的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)高位抽采的連續(xù)性。

3 結(jié)論

(1)主焦煤礦2308工作面現(xiàn)有高位鉆場設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中存在一個(gè)長度為7 m的高位鉆場抽采接茬失穩(wěn)區(qū)，可優(yōu)化調(diào)整為50 m的高位鉆場布置間距。(2)隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，當(dāng)5#高位鉆場的鉆孔終孔點(diǎn)位于采空區(qū)初垮裂隙發(fā)育不成熟的位置時(shí)，抽采效果大大降低，此時(shí)需要6#高位鉆場鉆孔隨采空區(qū)的不斷垮落而進(jìn)入采空區(qū)裂隙帶發(fā)育成熟的區(qū)域，使抽采效果逐步提升。因此，合理的鉆場抽采間距可以保證高位鉆場抽采效果的連續(xù)性。(3)在以后的生產(chǎn)過程中，可通過觀測抽采混量、抽采純量、上隅角瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)，進(jìn)一步對工作面推進(jìn)過程中的采空區(qū)上覆巖垮落情況進(jìn)行模糊分析及動(dòng)態(tài)預(yù)測，從而對抽采設(shè)計(jì)繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，以保證工作面的正常有序開采。