綜放工作面布孔方式及層位選擇考察研究

蘇 龍 范 寧 賈優(yōu)鵬

（中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300）

1 概況

王家?guī)X煤礦隸屬于中煤華晉集團(tuán)有限公司，總體為單斜構(gòu)造，伴有小型褶曲，地層傾角1°～3°，局部在10°左右?？刹擅簩幼陨隙路謩e為2、3、10#煤層，其中2、10#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。2#煤層位于山西組中下部，厚度3.09～8.50 m，平均5.78 m，共劃分為6個(gè)盤區(qū)。采煤工作面走向長(zhǎng)1948 m，傾向長(zhǎng)度269 m，煤層平均厚度6.9 m，傾角在+2°～+5°，煤層賦存穩(wěn)定。采用“U”型通風(fēng)方式，運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽均沿煤層底板布置，后退式綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。

根據(jù)測(cè)定報(bào)告，2#煤層瓦斯含量為2.94～3.27 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.023 4 m2/（MPa2·d），煤的硬度系數(shù)為0.49，煤層絕對(duì)瓦斯壓力0.21 MPa。采煤工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量35.38 m3/min。根據(jù)透氣性系數(shù)可以看出，煤層滲透率較低，不利于采前瓦斯預(yù)抽。

煤層采動(dòng)后的超前支承壓力對(duì)開(kāi)采煤層的滲透率變化起主要作用。掌握超前支承壓力對(duì)本煤層瓦斯的卸壓影響規(guī)律，不但為高瓦斯、低透氣性煤層的安全高效開(kāi)采提供了保證，同時(shí)可以更進(jìn)一步促進(jìn)煤與瓦斯共采技術(shù)體系的發(fā)展[1]。潘一礦采取了在上風(fēng)巷中補(bǔ)打頂板穿層鉆孔的方法，抽放采空區(qū)瓦斯，取得了顯著效果[2]。許疃煤礦針對(duì)綜放工作面瓦斯治理問(wèn)題，采用了工作面順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯、頂板高位上向穿層鉆孔抽采大采高工作面上鄰近層瓦斯、頂板高位走向鉆孔抽采本煤層同時(shí)攔截抽采上鄰近層卸壓瓦斯的綜合瓦斯抽采技術(shù)[3]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過(guò)對(duì)工作面本煤層卸壓瓦斯抽采布孔方式及層位選擇進(jìn)行考察研究，總結(jié)出適合本煤層卸壓瓦斯抽采的最佳模式。

2 抽采鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 抽采系統(tǒng)

地面建設(shè)有高、低負(fù)壓兩套瓦斯抽采系統(tǒng)，各配備2臺(tái)型號(hào)為2BEC-72型的水環(huán)式真空泵，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用。抽采泵抽氣量為565 m3/min，電機(jī)功率為710 kW。瓦斯抽采主管路均選取DN630 mm鍍鋅鋼管，由地面泵站經(jīng)回風(fēng)斜井至總回風(fēng)巷，沿總回風(fēng)巷延伸至回風(fēng)大巷北，支管采用Φ426 mm鍍鋅鋼管連接至工作面回風(fēng)巷。采用ZDY-6000LD履帶式全液壓鉆機(jī)（ZDY-12000LD履帶式全液壓鉆機(jī)）和YHD2-1000（A）型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)、軌跡的即時(shí)顯示，按設(shè)計(jì)軌跡及時(shí)調(diào)整鉆孔施工參數(shù)，施工孔深可施工400～600 m，孔徑133 mm。

2.2 頂板低位穿層鉆孔

鉆場(chǎng)布置在工作面回風(fēng)巷內(nèi)，共設(shè)計(jì)5個(gè)鉆場(chǎng)，25個(gè)鉆孔。第1個(gè)鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷1900 m處（距開(kāi)切眼120 m），鉆場(chǎng)間距為45 m，鉆孔搭接長(zhǎng)度35 m。每個(gè)鉆場(chǎng)布置5個(gè)鉆孔，鉆孔孔深84～90 m，終孔高度在煤層頂板往上19～22 m[3]，水平方向?yàn)榛仫L(fēng)隅角向工作面方向覆蓋26 m范圍。在巷道中心線上開(kāi)1#孔，鉆孔之間開(kāi)孔間距為0.7 m，5個(gè)鉆場(chǎng)參數(shù)相同。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)

2.3 高位水平定向鉆孔

在同一個(gè)工作面回風(fēng)巷共布置4個(gè)鉆場(chǎng)，位置在回風(fēng)巷1500 m、1050 m、500 m和材料通道口（回風(fēng)側(cè)），分別命名為E、F、G、H鉆場(chǎng)。F鉆場(chǎng)利用探水硐室，E、G、H鉆場(chǎng)占用巷道施工，相鄰鉆場(chǎng)鉆孔有效搭接距離為50 m。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 工作面鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3瓦斯抽采效果考察

3.1 頂板低位穿層鉆孔

選取3個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔作為研究對(duì)象，收集鉆孔的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理得到3個(gè)鉆場(chǎng)不同層位的鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)對(duì)比得到濃度變化如圖1～圖3。

圖1 1#鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖2 2#鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖3 3#鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

從頂板低位穿層鉆孔抽采濃度上看，整體瓦斯?jié)舛茸兓皇翘黠@，3個(gè)鉆場(chǎng)中4、5#鉆孔的瓦斯?jié)舛容^其他的鉆孔偏高，說(shuō)明其層位更有利于瓦斯的抽采。

3.2 高位水平定向鉆孔

選取2個(gè)鉆場(chǎng)的鉆孔作為研究對(duì)象，將鉆孔所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理得到三個(gè)鉆場(chǎng)不同層位的鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)對(duì)比得到濃度變化如圖4、圖5。

圖4 E鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

圖5 F鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

從高位水平定向鉆孔抽采濃度上看，鉆孔在施工初期可抽采高濃度的瓦斯，隨后抽采濃度逐漸降低；直到鉆孔受到采動(dòng)卸壓影響后，抽采濃度又再次上升，持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間并保持平穩(wěn)，E、F鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在3%～10%之間。

4 鉆孔垂直高度的確定

依據(jù)錢鳴高院士所提采場(chǎng)上覆巖層“砌體梁”力學(xué)模型以及經(jīng)典礦壓理論對(duì)采場(chǎng)周圍巖體變形空間最具普遍性的區(qū)帶劃分，綜放面覆巖從上往下分為：彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶。煤層開(kāi)采會(huì)引起回采空間周圍的巖層應(yīng)力重新分布，在鄰近層與開(kāi)采層之間形成一個(gè)網(wǎng)狀分布的巖石裂隙帶，并處于卸壓狀態(tài)，從而形成了瓦斯流動(dòng)通道，有利于瓦斯抽采。但在進(jìn)行高位鉆孔抽放瓦斯時(shí)，要想使高位鉆孔參數(shù)布置合理，使其剛好處于裂隙帶，必須對(duì)冒落帶及裂隙帶高度進(jìn)行確定[4]。

垮落帶和裂隙帶高度計(jì)算公式：

式中：H1（m）為垮落帶高度，m；H2（m）為裂隙帶高度，m；m為開(kāi)采煤層厚度，m；k為巖石碎脹系數(shù)，一般為1.2～1.4；θ為煤層傾角，（°）。

根據(jù)上述公式計(jì)算出該工作面垮落帶平均高度約為23 m，裂隙帶高度約為46 m。如將高位鉆孔布置在裂隙帶下部可以接近于垮落帶，對(duì)解決工作面瓦斯涌入作用很大，但抽采濃度不高；如布置在裂隙帶上部可以抽采鄰近層部分瓦斯，但下部卸壓瓦斯量大易涌入采煤工作面。綜合考慮，將高位鉆孔布置在裂隙帶中部。

5 鉆孔距巷道水平距離的確定

在煤層開(kāi)采后，上覆巖層移動(dòng)形成豎向的裂隙帶和橫向巖層的離層。在工作面推進(jìn)后，采空區(qū)的頂板垮落，頂部的巖層被壓實(shí)，而采空區(qū)周圍在煤體支承壓力作用下仍可保留一定程度的裂隙，在采空區(qū)的邊界與離層區(qū)內(nèi)形成一個(gè)環(huán)形的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為“O”型圈[5-6]。由前面分析可知，鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)，抽采效果較好，因此工作面鉆孔應(yīng)布置在巷道內(nèi)側(cè)附近，與巷道平距（S）應(yīng)為：

式中：α為回風(fēng)巷附近斷裂角，取經(jīng)驗(yàn)值67°；β為煤層傾角，（°）；h為走向鉆孔與煤層頂板的距離；▽S為鉆孔伸入裂隙帶水平投影長(zhǎng)度，一般為6～15 m，這里取11 m。由公式計(jì)算得出，工作面S范圍為25.79～35.66 m。

6 結(jié)語(yǔ)

由于高瓦斯采煤工作面的威脅主要表現(xiàn)在工作面回風(fēng)隅角，瓦斯主要來(lái)源一是工作面綜采支架上部、后部壓裂松散煤體解析出的瓦斯，二是采空區(qū)遺煤解析的瓦斯。工作面采用U型通風(fēng)，上隅角容易形成通風(fēng)盲區(qū)，在回風(fēng)隅角空頂垮落及采空區(qū)漏風(fēng)量大時(shí)，易造成瓦斯溢出，引起瓦斯超限。目前，通過(guò)考察研究，使采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.6%以下。隨著開(kāi)采條件的變化，采煤工作面的布置方式也會(huì)隨之發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)1個(gè)大面和1個(gè)小面，或者一個(gè)特大面，這樣工作面瓦斯涌出量也相應(yīng)增大。

根據(jù)三元煤礦瓦斯抽采情況，鉆孔的直徑越大越好，深入頂板裂隙區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，以保證較長(zhǎng)的抽采時(shí)間、較高的抽采率。大直徑鉆孔具有較大的鉆孔自然瓦斯涌出量和較小的瓦斯流量衰減系數(shù)，抽采量大[6]。此次研究確定了該礦井瓦斯最佳抽采方式和抽采層位，為下一步開(kāi)展153 mm大直徑高位水平定向鉆孔試驗(yàn)研究、釋放先進(jìn)產(chǎn)能奠定了基礎(chǔ)。