地面L型鉆井在屯蘭礦12408工作面頂板裂隙瓦斯抽采中應(yīng)用

周文龍

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048204)

1 前言

煤炭開采時(shí)采空區(qū)內(nèi)積聚大量高濃度瓦斯，在采煤工作面通風(fēng)影響下部分瓦斯會由回風(fēng)上隅角位置涌出，從而導(dǎo)致回風(fēng)上隅角、回風(fēng)巷等位置瓦斯?jié)舛瘸蓿o煤炭回采安全帶來一定威脅[1-3]?，F(xiàn)階段礦井常用的瓦斯治理技術(shù)包括有上隅角埋管抽采、高位瓦斯抽采鉆孔、高位瓦斯抽采巷以及構(gòu)筑上隅角封堵墻等措施，通過綜合使用上述措施可基本杜絕采煤工作面瓦斯超限問題，但是當(dāng)采煤工作面遇地質(zhì)構(gòu)造帶或者頂板來壓時(shí)采煤工作面容易出現(xiàn)瓦斯超限事故[4-5]。因此，文中對屯蘭礦現(xiàn)有的瓦斯治理技術(shù)分析基礎(chǔ)上，提出通過在地面布置L型鉆井對采煤工作面頂板裂隙瓦斯進(jìn)行抽采，以期能為礦井后續(xù)瓦斯治理提供借鑒意義。

12408工作面開采的2#煤層厚度3.2 m、傾角3°～5°，瓦斯原始含量平均7.5 m3/t。采煤工作面東北側(cè)為礦區(qū)開采邊界，西北側(cè)為已回采完畢的12406采空區(qū)。采煤工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度960 m、斜長240 m，整體位于一單斜構(gòu)造上。采煤工作面回采時(shí)受到采空區(qū)瓦斯涌出影響，采煤工作面極易出現(xiàn)瓦斯超限問題，給煤炭安全回采帶來威脅，因此，提出采用地面L型鉆孔對工作面瓦斯進(jìn)行抽采。

2 地面L型鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 鉆進(jìn)層位確定

1)模擬分析

采用UDEC對12408工作面回采后頂板冒落及裂隙發(fā)育情況行模擬分析。具體采煤工作面回采期間煤層頂板覆巖垮落特征如圖1所示。

圖1 采煤工作面覆巖垮落圖

從圖中看出，當(dāng)采煤工作面回采推進(jìn)21 m時(shí)，直接頂開始離層；推進(jìn)至42 m時(shí)基本頂開始破斷、基本頂下部巖層開始離層，從而形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)基本頂呈現(xiàn)彎曲下沉趨勢，發(fā)育的垂直裂隙為瓦斯運(yùn)移提供通道；推進(jìn)至55 m位置時(shí)基本頂垮落，懸臂梁結(jié)構(gòu)破斷，采煤工作面初次來壓；推進(jìn)至69 m時(shí)基本頂破斷，采煤工作面第一次周期來壓。當(dāng)采煤工作面回采推進(jìn)至85 m后，覆巖分帶明顯，冒落帶、裂隙帶高度分別為12.6 m、58 m。

2) 理論計(jì)算

利用經(jīng)驗(yàn)公式對屯蘭礦12408工作面開采后頂板冒落帶(H冒)以及裂隙帶(H裂)高度進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式為[6-7]

(1)

(2)

式中，M表示煤層累積開采厚度，取值3.2 m。通過式(1)、(2)計(jì)算得到H冒=7.2～11.6 m、H裂=45.8 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測12408工作面回采后頂板裂隙帶高度為6～8倍采高，即裂隙帶位于上覆煤層19.2～25.6 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式以及經(jīng)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果，設(shè)計(jì)的L型鉆孔與2#煤層頂板間距為15～54 m。

2.2 L型鉆孔設(shè)計(jì)

為了提高地面L型鉆孔有效利用時(shí)間，為后續(xù)抽采12408工作面采空區(qū)瓦斯創(chuàng)造良好條件，抽采鉆孔與2#煤層間距為15～54 m，即鉆孔靠近采煤工作面切眼位置與煤層間距為15 m、靠近停采線位置與煤層間距為54 m。鉆孔開孔位置(X：4195138，Y：37599848，H：1 120.00 m)地勢平坦，可滿足鉆孔施工需要，鉆孔設(shè)計(jì)井深932.06 m、完鉆井深942 m，井身結(jié)構(gòu)為φ444.5 mm×(0.00～22.06) m+φ311.15 mm×(22.06～310.00) m+φ215.9 mm×(310.00～942.00) m；套管程序?yàn)棣?77.7 mm×(0.00～22.06) m+φ244.48 mm×(0.00～310.00) m。具體鉆孔井身數(shù)據(jù)見表1，剖面圖如圖2所示。

圖2 井身剖面圖

表1 井身數(shù)據(jù)

3 瓦斯抽采效果

3.1 L型鉆孔瓦斯抽采情況

12408工作面于5月2日開始回采，采煤工作面保持3.2 m/d速度回采。具體在工作面回采期間L型鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖3所示，在監(jiān)測期間(5月2日至7月9日)共計(jì)抽采瓦斯約18萬m3，抽采混量約63 m3，抽采濃度介于5%～35%，瓦斯?jié)舛炔▌酉鄬^大。在監(jiān)測期間L型鉆孔采變化可分為三個(gè)階段。

圖3 工作面回采期間L型鉆孔瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)

(1)第一階段為5月2—6日，在此階采煤工作面處于初期回采階段，鉆孔內(nèi)瓦斯抽采濃度、抽采混量均較低，抽采混量以及抽采濃度最大分別為10 m3/min、0.06%。此階段瓦斯抽采混量以及濃度較低原因主要是采煤工作面處于初采期間，采煤工作面推進(jìn)距離為16 m，雖然采煤工作面直接頂隨采隨垮，但是基本頂內(nèi)裂隙不發(fā)育，L型鉆孔與采空區(qū)間無瓦斯流動通道，導(dǎo)致L型鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛绕汀?/p>

(2)第二階段為5月7—16日，在此階段采煤工作面處于正?；夭善陂g，L型鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛容^為穩(wěn)定，介于13.8%～19.6%，瓦斯抽采量主要集中在19.5～25.6 m3/min。其中在5月10—12日，L型鉆孔瓦斯抽采量急增至65～72 m3/min，主要是該階段采煤工作面出現(xiàn)初次來壓，基本頂垮落后采空區(qū)與L型鉆孔間形成較為順暢的瓦斯運(yùn)移通道。隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，L型鉆孔內(nèi)瓦斯抽采濃度、抽采量基本趨于穩(wěn)定。

(3)第三階段為5月16日至7月9日，此階段L型鉆孔受頂板裂隙水影響較為明顯，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓^大。L型鉆孔內(nèi)積水后，鉆孔會出現(xiàn)一定的堵孔問題，從而導(dǎo)致瓦斯?jié)舛纫约傲髁棵黠@降低，如5月24—27日，L型鉆孔瓦斯?jié)舛冉档椭?%、抽采量降低至5.6 m3/min，后采經(jīng)過水力壓孔以及多次地面壓風(fēng)吹掃，L型鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍黾又?3%，至6月15日瓦斯?jié)舛热阅鼙３?5%。在6月20至7月9日，L型鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、抽采量波動明顯，為提高抽采效果，后期采用間斷抽采方式。

3.2 采煤工作面瓦斯?jié)舛?/h3>

當(dāng)L型鉆孔抽采期間回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低，最大濃度分別為0.32%、0.25%；當(dāng)L型鉆孔停止抽采后回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)增高趨勢。表明采用L型鉆孔可起到有效降低采空區(qū)瓦斯涌出目的。L型鉆孔接抽期間采煤工作面上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 L型鉆孔接抽期間采煤工作面上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

(1)地面L型鉆孔具有施工效率高、不受采掘活動影響、安全系數(shù)高以及瓦斯綜合治理成本低等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)12408采煤工作面地質(zhì)情況采取數(shù)值模擬以及理論計(jì)算方法確定L型鉆孔位于2#煤層頂板上方15～54 m，并對L型鉆孔井身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)L型鉆孔積水問題會在一定程度上制約鉆孔瓦斯抽采效果，因此在后續(xù)的層位選擇時(shí)應(yīng)盡量避免布置在富含水層巖層中。同時(shí)當(dāng)鉆孔出現(xiàn)積水使用水力壓孔、地面壓風(fēng)吹掃可起的較好的治理效果。

(3)在12408工作面采取地面L型鉆孔對采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采，有效解決了采煤工作面回采期間上隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯超限問題，現(xiàn)場應(yīng)用后采煤工作面上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确謩e控制在0.32%、0.25%以內(nèi)，有效保障了采煤工作面回采安全。