高宏, 楊宏偉
(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)
松軟低透煤層具有煤質(zhì)松軟、產(chǎn)狀變化大、透氣性差、瓦斯含量較高、煤層預(yù)抽難、局部區(qū)域具有軟煤包等特點(diǎn),在現(xiàn)場打鉆過程中,存在壓鉆塌孔和成孔后鉆孔下管困難等現(xiàn)象,后期抽采過程中抽采量低,抽采效果差。
目前國內(nèi)煤礦松軟低透煤層U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯治理一直是個難題。隨著煤層采深的逐步加大,地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,研究松軟低透氣煤層U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯治理問題已經(jīng)刻不容緩。針對松軟低透煤層U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯治理方法,袁亮[1]提出了松軟低透煤層U型通風(fēng)回采工作面分源瓦斯治理技術(shù)、利用地面鉆井預(yù)抽采動影響區(qū)域等一套適合淮南礦區(qū)瓦斯治理實(shí)際的成功技術(shù)。胡明等[2]采用“U+尾排”通風(fēng)結(jié)合大直徑深孔預(yù)抽本煤層瓦斯與底板穿層鉆孔抽采瓦斯等綜合措施,解決了抽采效率低、抽采濃度低、煤層透氣性差等問題。郭春生等[3]利用底板穿層鉆孔抽采本煤層卸壓瓦斯,并對抽采鉆孔的抽采時間進(jìn)行了優(yōu)化,解決了陽泉地區(qū)松軟低透煤層U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯抽采問題。吳有增[4]針對低滲松軟單一煤層U型通風(fēng)回采工作面建立了基于本煤層瓦斯抽采、井下千米長抽采鉆孔瓦斯抽采技術(shù)和井上水平分支井裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)協(xié)同工作的“立體抽采系統(tǒng)”,并完成了對系統(tǒng)抽采效果的考察,效果良好。鄧玉華[5]針對近水平高瓦斯松軟低透煤層安全高效開采的問題,提出了保護(hù)層開采技術(shù),上保護(hù)層開采后被保護(hù)煤體得到了充分保護(hù),增大了煤巖體的透氣性,從而減少了煤層瓦斯含量。
以上松軟低透氣煤層U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯治理方法雖取得了一些效果,但有些治理手段和方式也有一定的局限性,如地面鉆井抽采只能作為提前預(yù)抽措施,無法解決回采期間松軟煤層的瓦斯問題,大直徑鉆孔抽采和水力沖孔措施對于松軟煤層施工也存在塌孔問題,底板穿層鉆孔在一定程度上解決了本煤層瓦斯抽采問題,保護(hù)層開采抽采卸壓瓦斯受一定地質(zhì)條件的局限性[6-9],對于抽采技術(shù)復(fù)雜多變的煤礦適應(yīng)能力較差,能夠達(dá)到較好抽采效果的礦區(qū)僅僅局限于某一區(qū)域。一些強(qiáng)化抽采技術(shù)設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜,不僅增加了噸煤成本,而且影響了正常生產(chǎn),因此,很多強(qiáng)化抽采技術(shù)并沒有得到大范圍推廣。
針對以上問題,以山西晉煤集團(tuán)趙莊礦1307綜采工作面為研究對象,筆者提出了高抽巷和底抽巷聯(lián)合抽采的瓦斯抽采技術(shù),在松軟低透氣性煤層大采高U型通風(fēng)回采工作面開展底抽巷穿層鉆孔掩護(hù)掘進(jìn)工作面掘進(jìn),中部底抽巷穿層鉆孔用來抽采回采期間本煤層卸壓瓦斯,通過高抽巷抽采上隅角瓦斯。
山西晉煤集團(tuán)趙莊礦目前開采3號煤層,采煤方法采用長壁大采高綜采。由于3號煤層透氣性低,抽采率低,打鉆成孔難,造成采掘工作面接替相對緊張。
1307大采高綜采工作面位于一盤區(qū),北側(cè)為1308工作面,南側(cè)為1306工作面。1307工作面走向回采長度為2 084 m,傾斜長度為233 m,采用走向長臂式開采,煤層厚度為4.60~6.10 m,平均煤層厚度為5.36 m,采高為4.6 m。工作面共布置5條巷道:13071巷、13072巷(包括13072巷前段和1307邊部底抽巷)、13073巷、1307中部底抽巷、高抽巷。當(dāng)工作面回采向前推進(jìn)60 m時,密閉1307切眼底抽巷,1307工作面采用U型通風(fēng)方式。
3號煤層相對瓦斯壓力為0.06~0.71 MPa,透氣性系數(shù)為0.21~0.46 m2/(MPa2·d),百米鉆孔瓦斯流量為0.000 5~0.003 9 m3/(min·hm),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.14~0.39 d-1,一盤區(qū)煤體瓦斯含量按12.73 m3/t計算。1307工作面煤層瓦斯含量最高為12.73 m3/t,瓦斯殘存量為2.65 m3/t。
趙莊礦目前開采的3號煤層特征為單一松軟低透厚煤層,1307工作面為大采高綜采工作面,上隅角瓦斯超限問題較難解決,為此提出了基于以上條件的高抽巷、中部底抽巷和邊部底抽巷聯(lián)合抽采的瓦斯抽采技術(shù),即通過高抽巷抽采上隅角瓦斯,中部底抽巷穿層鉆孔用來抽采回采期間本煤層卸壓瓦斯,邊部底抽巷穿層鉆孔掩護(hù)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)。
1307工作面高抽巷和底抽巷聯(lián)合抽采瓦斯治理模式平面布置如圖1所示,剖面布置如圖2所示。
圖1 1307工作面巷道布置平面圖
圖2 1307工作面巷道布置剖面圖
通過邊部底抽巷掩護(hù)13071和鄰近工作面13074巷的掘進(jìn),中部底抽巷穿層區(qū)域條帶預(yù)抽本煤層瓦斯,高抽巷抽采上隅角瓦斯,使得工作面的瓦斯抽采率大幅提高,降低了本煤層的瓦斯含量,從而解決了采掘銜接緊張和上隅角瓦斯超限問題。
利用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯,使鉆孔穿過巷道頂(底)板,對煤巷條帶的瓦斯進(jìn)行抽采,利用巷道和抽采鉆孔促使煤體釋放壓力,可更好地增強(qiáng)煤體的透氣性和堅固性系數(shù),有效減弱地應(yīng)力、瓦斯壓力和瓦斯含量,從而達(dá)到掩護(hù)巷道掘進(jìn)的目的。趙莊礦在一盤區(qū)的1307工作面利用穿層鉆孔的方法預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯(將待掘進(jìn)的煤巷工作面和兩幫一定范圍內(nèi)的煤體稱為煤巷條帶),使鉆孔從工作面的底板巖巷穿過,到達(dá)2條煤巷的待掘區(qū)域,為2條巷道安全、快速掘進(jìn)起到掩護(hù)作用[10-12]。
底板瓦斯抽采巖巷穿層鉆孔預(yù)抽在消除回采巷道掘進(jìn)和工作面回采引起的瓦斯災(zāi)害的同時,避免了巷道掘進(jìn)和工作面回采對底抽巷造成的破壞。邊部底抽巷層位選擇主要通過3個因素進(jìn)行分析:① 保證鉆孔施工。首先要在 13071、13074 巷及其輪廓線外 20 m 的范圍內(nèi)布置鉆孔,其次在鉆進(jìn)過程中避免穿過含水層以及堅硬巖層。② 保證掘進(jìn)效率。為了保證掘進(jìn)效率,需要保證巷道在堅固性系數(shù)較小、掘進(jìn)機(jī)組容易切割的巖層中掘進(jìn),從而提高掘進(jìn)效率。③ 保證足夠的安全距離。選取賦存比較穩(wěn)定的巖層,掘進(jìn)時邊部底抽巷頂板或底板沿著巖層,并且確保邊部底抽巷到3號煤層之間的距離在安全范圍,最終在3號煤層底板下部距離21.5 m處,確定了邊部底抽巷(13071巷)的垂直層位。
底板巖巷穿層抽采鉆孔按如下布置:施工向上鉆孔,鉆孔覆蓋設(shè)計巷道左右兩幫輪廓線外各20 m。
按照《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》將鉆孔間距基本相同和預(yù)抽時間基本一致(預(yù)抽時間差異系數(shù)小于30%)的區(qū)域劃分為一個評價單元,1307工作面進(jìn)風(fēng)巷鉆孔預(yù)抽時間比回風(fēng)巷短很多,初期抽采按照50 m間隔為一個評價單元,劃分為10個單元,抽采后期按照150 m間隔為一個評價單元,初步劃分為20個評價單元。
1307底抽巷第1—4單元均為60 m的抽采單元,1單元鉆孔按照孔間距5 m×5 m進(jìn)行布置,每組設(shè)計10個鉆孔;鉆孔間的距離過小容易使鉆孔間串通,因此,從第2單元開始對設(shè)計進(jìn)行了調(diào)整,2單元每組布置6個鉆孔;從第3單元起每組按照5個鉆孔進(jìn)行布置。第6—11單元每單元寬為120 m,第12單元寬為175 m,第13—15單元每單元寬為120 m,第16單元寬為55 m。每單元設(shè)計12組鉆孔,每組鉆孔左、右兩幫各為2排,每排10個鉆孔,每單元共計120個鉆孔。
以第9單元為例,共設(shè)計244個鉆孔,鉆孔進(jìn)尺為11 882 m,每組間距為5 m,底抽巷穿層鉆孔穿透整個煤層且穿透煤層頂板0.5 m,底抽巷鉆孔排間距為0.5 m(每組鉆孔排間距根據(jù)現(xiàn)場情況允許在0.5~1 m調(diào)整)。在第8組與第9組、第16組與第17組之間施工2組校檢孔(與鄰近組間隔2.5 m),并測試其含量,且在施工時先施工校檢孔,校檢孔見煤后在煤層內(nèi)施工2 m,封孔時分別下注漿管和返漿管,返漿管距篩管大于2 m,用水泥砂漿封孔。
1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔俯視圖、剖面圖如圖3、圖4所示。
圖3 1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔俯視圖
圖4 1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔剖面圖
中部底抽巷長度為1 180 m,位于1307工作面下方正中間,開口處位于1號底抽巷1 500 m處,巷道寬度為4.7 m,巷道高度為3 m,采取錨網(wǎng)聯(lián)合的形式進(jìn)行支護(hù)。
1307工作面3號煤層底板主要為粉砂巖,厚度為5.2 m,向下依次為K7粗粒砂、K6石灰?guī)r、粉砂巖。巖體堅固性系數(shù)從低到高分別為粗粒砂、粉砂巖、石灰?guī)r。由試驗(yàn)可知,分別在K6、K7巖層中利用相同鉆機(jī)、鉆具施工相同長度的鉆孔時,K6巖層鉆進(jìn)所需的時間是K7巖層的8~10倍,每鉆進(jìn)1 m的平均耗時是2~3 h,鉆進(jìn)困難,若在K6巖層下邊布置底抽巷,鉆孔會通過K6巖層,鉆進(jìn)效率降低,導(dǎo)致上邊3號煤層無法實(shí)現(xiàn)高效開采,因此,將K6作為一個標(biāo)志層位,3號煤層底抽巷應(yīng)布置在K6上部巖層,避免穿層鉆孔穿過K6巖層。
考慮到底抽巷與煤層間距對鉆孔施工的影響,隨著底抽巷與3號煤層之間的距離減小,鉆孔工程量也會減少,同時施工角度選取得越小,煤體長度越大,可更有效提高利用率和抽采效率。因此,選擇中部底抽巷距3號煤層底板距離為7 m左右。
由于1307切眼底抽巷覆蓋工作面鉆孔60 m范圍內(nèi)成孔率比較好,所以,中部底抽巷從距切眼60 m處開始布孔。第1、2單元設(shè)計37組(第1、2單元設(shè)計長度均為220 m,每單元含鉆孔37組)鉆孔,第3—6單元設(shè)計28組(第3—6單元設(shè)計長度均為170 m,每單元含鉆孔28組)鉆孔,單數(shù)組每組設(shè)計16個鉆孔,雙數(shù)組每組設(shè)計15個鉆孔,鉆孔分4排、2列布置,組間距為3 m,鉆孔終孔間距按照5 m×10 m進(jìn)行布置,鉆孔掩護(hù)工作面寬度為150 m,共設(shè)計鉆孔372組,6個單元,5 766個鉆孔,總進(jìn)尺為232 500 m。中部底抽巷穿層鉆孔布置和剖面圖如圖5、圖6所示。
圖5 中部底抽巷穿層鉆孔布置
圖6 中部底抽巷穿層鉆孔剖面圖
通過分析趙莊礦1307回采工作面巷道布置和采掘接替情況,在中部底抽巷實(shí)施穿層鉆孔后,穿層鉆孔并不能全部掩護(hù)1307回采工作面,存在瓦斯抽采空白帶,因此,在1307回采工作面中部底抽巷采用了底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯和本煤層順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯,立體抽采1307工作面卸壓瓦斯,鉆孔布置如圖7所示。
圖7 1307工作面立體抽采鉆孔布置
通過中部底抽巷穿層區(qū)域條帶預(yù)抽及本煤層區(qū)域條帶預(yù)抽相結(jié)合的立體抽采方式,抽采瓦斯效果顯著,消除了煤層瓦斯抽采空白帶,工作面的瓦斯含量明顯降低,確保了工作面的安全高效回采。
3號煤層頂板巖性屬于中硬巖層,按照垮落帶與裂隙帶中的中硬巖層的判別公式[13],垮落帶高度計算公式為
H1=M/(K-1)
(1)
式中:H1為沿煤層法向方向垮落帶的高度,m;M為回采層厚度,m,取4.6~6.1 m;K為垮落帶巖石碎脹系數(shù),取1.3。
根據(jù)式(1),計算得出1307回采工作面垮落帶高度為
H1|m=(4.6~6.1)/(1.3-1)=15.3~20.33
裂隙帶沿煤層法向的高度的計算公式為
H2=100M/(2M+3)+6
(2)
根據(jù)式(2),可計算出1307回采工作面裂隙帶沿煤層法向的高度為
H2|m=100×(4.6~6.1)/[2×(4.6~6.1)+3]+6=43.7~46.1。
文獻(xiàn)[14]對大量現(xiàn)場實(shí)測與經(jīng)驗(yàn)計算結(jié)果進(jìn)行對比后,提出當(dāng)煤層采高大于3 m時,實(shí)測裂隙帶高度為式(1)和式(2)較大計算值的1.3~1.5倍。
通過計算和現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證得出:趙莊礦1307回采工作面垮落帶最大高度為27.73 m,裂隙帶最大高度為64.9 m,即裂隙帶的高度為27.73~64.9 m。結(jié)合淮南礦業(yè)集團(tuán)高抽巷治理瓦斯的經(jīng)驗(yàn),最終將高抽巷的層位定在距離煤層頂板50 m左右。
按照數(shù)據(jù)統(tǒng)計,對邊部底抽巷穿層鉆孔掩護(hù)巷道掘進(jìn)的瓦斯抽采應(yīng)用效果進(jìn)行計量和評價,每間隔40 m布置2個效果檢驗(yàn)孔,在煤巷的中央設(shè)置終孔位置,測定出抽采后的煤體瓦斯含量。
1307回采工作面邊部底抽巷各單元抽采區(qū)域煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。
圖8 邊部底抽巷抽采單元掘進(jìn)工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)
通過統(tǒng)計抽采情況的相關(guān)數(shù)據(jù)可得出,實(shí)施穿層鉆孔抽采后,單孔最大抽采流量達(dá)到0.116 m3/min,百米鉆孔抽采量達(dá)到0.76 m3/min·hm,平均百米抽采量為0.43 m3/min·hm,比本煤層百米抽采量提高了50倍,有效促進(jìn)了瓦斯抽采。煤巷掘進(jìn)工作面最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.48%,說明采用穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采可以有效降低掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量。
(1)抽采濃度分析。中部底抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化如圖9所示。從圖9可看出:根據(jù)工作面推進(jìn)進(jìn)度對揭露的鉆孔進(jìn)行拆除,動態(tài)地對抽采系統(tǒng)進(jìn)行管理,可以確保中部底抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為25%左右。底抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)也受系統(tǒng)調(diào)整的影響,平均抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為24.3%,最低為10.9%,最高為33.4%,抽采效果良好。
圖9 1307中部底抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線
(2)中部底抽巷抽采量及抽采效果評價。1307中部底抽巷抽采量(部分)隨抽采時間的統(tǒng)計曲線如圖10所示。
圖10 1307中部底抽巷抽采量隨時間變化曲線
1307中部底抽巷每隔120 m設(shè)為1個抽采單元,從開始抽采至抽采結(jié)束累計抽采量為233.43萬m3,平均日抽采量為6 813 m3。
1307回采工作面回采前中部底抽巷日抽采量大約為5 000 m3,在回采過程中,抽采體積分?jǐn)?shù)在30%左右,日抽采量在7 500 m3左右,最高日抽采量達(dá)9 971 m3。抽采瓦斯純量為2.84~6.92 m3,平均抽采瓦斯純量為4.73 m3。
由于施工的穿層鉆孔貫穿了整個3號煤層,促使徑向瓦斯流動通道連通,瓦斯來源充足,抽采效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)比本煤層順層鉆孔要好。經(jīng)抽采后瓦斯含量平均下降了4.18 m3/t。參照鄰近1306回采工作面回風(fēng)巷(未施工中部底抽巷),割煤期間回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.60%~0.65%,經(jīng)過底抽巷穿層鉆孔條帶預(yù)抽后的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.28%~0.52%。
高抽巷抽采效果受到的影響主要包括垂直層位、負(fù)壓、抽采能力等,通過研究高抽巷在不同階段抽采效果來確定合適的層位及負(fù)壓,以為高抽巷的應(yīng)用提供幫助。
(1)高抽巷抽采負(fù)壓。在1307回采工作面開采前期,高抽巷未能和裂隙區(qū)貫通,抽采效果一般。當(dāng)工作面推進(jìn)至初次來壓布距50 m時,抽采負(fù)壓從31 kPa降低到13 kPa,瓦斯涌出量逐步增大,高抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)從3%提高到13%。隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn),高抽巷與裂隙帶貫通,抽采純量顯著提高。
1307工作面抽采混量與負(fù)壓的關(guān)系曲線如圖11所示。從圖11可看出,在抽采負(fù)壓不斷增大的同時,高抽巷鄰近層、采空區(qū)的抽采能力也增強(qiáng),當(dāng)負(fù)壓為21 kPa左右時,抽采混量趨于穩(wěn)定,為300 m3左右,純量為45 m3。截止到1307工作面回采結(jié)束,高抽巷的標(biāo)況混量基本保持在350 m3,最高達(dá)到427.82 m3,抽采負(fù)壓為12~15 kPa。這說明,在現(xiàn)有的2BEC72水環(huán)式真空泵的基礎(chǔ)上,抽采負(fù)壓為12~15 kPa時,抽采泵的抽采效果最佳,基本達(dá)到了瓦斯泵的極限抽采能力。
圖11 高抽巷抽采混量與負(fù)壓的關(guān)系曲線
(2)高抽巷抽采層位。高抽巷在抽采期間,隨著高抽巷垂直層位的變化、周期來壓及地質(zhì)因素的影響,其抽采純量和抽采濃度也會出現(xiàn)階段性下降的情況。
具體層位、純量和體積分?jǐn)?shù)之間的變化曲線如圖12所示。從圖12可看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至247 m(對應(yīng)的高抽巷層位為41 m),高抽巷抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)為12%,瓦斯抽采量為19 m3左右。當(dāng)推進(jìn)至253.4~990.1 m時,高抽巷距煤層垂直距離由41 m增加至45 m左右,瓦斯抽采純量和體積分?jǐn)?shù)也有一定程度增長,瓦斯純量從19 m3增長至31 m3,瓦斯體積分?jǐn)?shù)從12%提高至14%。從增長幅度來看,瓦斯純量和抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)增長幅度均大于高抽巷垂直距離的增長幅度,說明高抽巷最佳層位大于45 m[15]。后期當(dāng)高抽巷垂直距離為51 m時,與之對應(yīng)的瓦斯純量為46.13 m3。
圖12 高抽巷垂直層位、純量、體積分?jǐn)?shù)隨工作面推進(jìn)時間的變化曲線
高抽巷利用負(fù)壓抽采可使采空區(qū)上隅角附近瓦斯流場重新分布,減小瓦斯向工作面涌出,大部分瓦斯流向高抽巷,對于降低上隅角瓦斯?jié)舛刃Ч@著[16]。
(1)提出了高抽巷和底抽巷聯(lián)合抽采的瓦斯抽采技術(shù),即在原有U型通風(fēng)的基礎(chǔ)上外加一條高抽巷、一條中部底抽巷和一條邊部底抽巷,邊部底抽巷掩護(hù)2個掘進(jìn)工作面的掘進(jìn),中部底抽巷穿層區(qū)域條帶預(yù)抽本煤層瓦斯,高抽巷抽采上隅角瓦斯。
(2)通過理論分析并結(jié)合現(xiàn)場情況,確定了邊部底抽巷、中部底抽巷和高抽巷的層位,并確定了邊部底抽巷和中部底抽巷的鉆孔布置方式。將1307邊部底抽巷層位布置在距3號煤層底板21.5 m處,從而掩護(hù)掘進(jìn)巷道兩幫各15 m的范圍是可行的。1307中部底抽巷最終層位布置在距底板7 m處,鉆孔掩護(hù)1307工作面150 m煤體,解決了工作面在回采過程中本煤層的瓦斯問題。1307工作面高抽巷垂直位置距頂板50 m左右。
(3)分別對邊部底抽巷、中部底抽巷和高抽巷的抽采效果進(jìn)行了評價。邊部底抽巷掩護(hù)的煤巷掘進(jìn)工作面最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.48%,穿層鉆孔抽采有效降低了掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量。中部底抽巷抽采本煤層瓦斯后,瓦斯含量平均下降了4.18 m3/t。高抽巷正常抽采后,抽采負(fù)壓為12~15 kPa時,瓦斯純量為46.13 m3左右,減小了瓦斯向工作面涌出。
(4)實(shí)踐表明,1307工作面采用的高抽巷和底抽巷聯(lián)合抽采的瓦斯治理模式,降低了上隅角瓦斯?jié)舛?,解決了上隅角瓦斯超限問題,1307邊部底抽巷掩護(hù)了13071和鄰近工作面13074巷的掘進(jìn),中部底抽巷抽采了回采期間本煤層的卸壓瓦斯,保障了1307工作面的安全回采。