高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)及抽采效果分析

高璟盎

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著煤炭開采力度的加大,地質(zhì)環(huán)境日趨復(fù)雜,煤層中瓦斯含量逐漸增大,對(duì)我國礦井安全高效生產(chǎn)帶來重大影響[1-2]。瓦斯抽采作為工作面瓦斯治理的主要措施之一,其主要通過降低工作面風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?進(jìn)而防止瓦斯爆炸[3]。礦井瓦斯又是一種清潔的能源,對(duì)于瓦斯涌出量較大的礦井,抽采瓦斯不僅是防治災(zāi)害的措施,也是利用能源的途徑。高效抽采煤層瓦斯,將瓦斯資源變廢為寶,并成為煤礦的重要伴生資源而得到發(fā)展與應(yīng)用[4],確保礦井安全高效生產(chǎn)。

工作面瓦斯來源主要包括本煤層瓦斯、鄰近層瓦斯、采空區(qū)瓦斯[5]。目前國內(nèi)外研究者[6-7]在治理瓦斯方面一般采用高位鉆孔、采空區(qū)埋管和本煤層順層鉆孔等手段。李炎濤[8]借用高位鉆孔和低位鉆孔來分析鄰近層瓦斯的抽采效果,發(fā)現(xiàn)在瓦斯抽采巷中,前者較后者效果更好。侯金鑫[9]基于經(jīng)驗(yàn)公式法、數(shù)值模擬和試驗(yàn),對(duì)高位鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的高位鉆孔抽采效果良好。李懿[10]分析了不同裂隙帶高度鉆孔瓦斯抽采技術(shù),并且對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)前者主要抽采裂隙帶瓦斯,后者主要抽采截抽上隅角瓦斯。魯義等[11]基于數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬,分析鉆孔抽采效果,得到鉆孔布孔間距與抽采半徑影響關(guān)系。王一琦等[12]研究不同參數(shù)順層鉆孔抽采作用,并分析其對(duì)抽采效果的影響,發(fā)現(xiàn)鉆孔的大直徑有利于提高瓦斯的抽采效率。

以山西某礦090507工作面為研究對(duì)象,工作面選用順層鉆孔、高位鉆孔和采空區(qū)埋管等方法,對(duì)090507工作面進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)及抽采,且對(duì)各鉆孔瓦斯抽采和瓦斯綜合治理效果進(jìn)行分析。以期防止工作面及采空區(qū)瓦斯超限,為瓦斯抽采及瓦斯綜合管理提供依據(jù),更好地指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)和瓦斯資源開發(fā)利用。

1 礦井概況

山西某礦8+9號(hào)煤層屬于不易自燃煤層的高瓦斯礦井。090507工作面采用全負(fù)壓獨(dú)立通風(fēng),采用單U型巷道布置,皮帶巷進(jìn)風(fēng),軌道巷回風(fēng)。

2 瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)090507工作面瓦斯涌出來源和實(shí)際情況,針對(duì)工作面煤層、上鄰近層及本煤層采空區(qū)瓦斯涌出特點(diǎn),選用順層鉆孔對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽;高位鉆孔對(duì)鄰近層瓦斯進(jìn)行截抽;采空區(qū)埋管對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行邊采邊抽。

2.1 順層鉆孔抽采設(shè)計(jì)

090507工作面皮帶巷開口向里1 298～2 612 m、軌道巷開口向里1 848～2 612 m、軌道巷開口向里1 298～1 848 m和軌道巷開口向里200～1 298 m區(qū)域分別設(shè)計(jì)鉆孔垂直巷道中線,施工順層瓦斯抽采鉆孔。工作面共施工939個(gè)順層鉆孔,累計(jì)鉆孔進(jìn)尺87 954 m。其中,皮帶巷共施工順層瓦斯抽采鉆孔298個(gè),累計(jì)進(jìn)尺26 208 m;軌道巷施工順層瓦斯抽采鉆孔641個(gè),累計(jì)進(jìn)尺61 746 m。

2.2 高位鉆孔抽采設(shè)計(jì)

2.2.1 上覆巖層裂隙發(fā)育帶理論計(jì)算

根據(jù)理論計(jì)算公式,計(jì)算090507工作面采空區(qū)冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度,其中,冒落帶計(jì)算公式見式(1)[13]

(1)

式中,Hm為裂隙帶發(fā)育高度,m;M為煤層采高,4.4 m。

裂隙帶計(jì)算公式見式(2)[13]

(2)

式中,Hl為裂隙帶發(fā)育高度,m。

計(jì)算得到,090507工作面采空區(qū)冒落帶最高發(fā)育高度為13.38～14.93 m,裂隙帶最高發(fā)育高度為35.75～51.54 m。

綜合分析冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度數(shù)據(jù),090507工作面裂隙帶發(fā)育高度為14.93～51.54 m。結(jié)合8+9號(hào)煤層090508工作面頂板鉆孔抽采情況和采空區(qū)“三帶”活動(dòng)規(guī)律的研究成果,有效抽采高度約為采高6～10倍;確定090507工作面頂板高位鉆孔終孔位置,其位于煤層頂板上25～45 m。

2.2.2 工作面高位鉆孔設(shè)計(jì)

在工作面皮帶巷開口向里1 298～2 612 m范圍施工本煤層鉆場,鉆場間距50 m,鉆場內(nèi)布置平均深度為107 m的6個(gè)高位鉆孔;在軌道巷開口向里1 653～2 612 m范圍施工高位鉆場,鉆場間距為70 m,高位鉆場內(nèi)鉆孔呈兩排布置,每個(gè)施工16個(gè)直徑為113 mm的鉆孔;在軌道巷開口向里200～1 653 m施工本煤層鉆場,鉆場間距為50 m,每個(gè)平鉆場內(nèi)布置6個(gè)鉆孔,平均深度為110 m,鉆孔直徑為113 mm。090507工作面高位鉆孔布置如圖1所示。

圖1 090507工作面高位鉆孔設(shè)計(jì)示意

2.3 上隅角埋管抽放設(shè)計(jì)

為防止上隅角瓦斯積聚,沿090507工作面軌道巷敷設(shè)一路φ457 mm的低負(fù)壓瓦斯抽采管路,架設(shè)在袋子墻上方深入采空區(qū)頂板冒落三角區(qū)以內(nèi),連續(xù)抽放工作面上隅角瓦斯。上隅角抽放管路隨采隨斷,保證管路深入采空區(qū)的距離在15～30 m范圍,從而提高上隅角的抽放效果。

3 綜放工作面瓦斯抽采分析

3.1 順層鉆孔抽采分析

在工作面皮帶巷距離切眼前450 m范圍選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析,如圖2所示。

圖2 090507工作面皮帶巷本煤層瓦斯抽采濃度分析

可以看出,在鉆孔抽采開始第1天,3#孔、17#孔、37#孔、70#孔和87#孔抽采濃度達(dá)到最高,分別是59.79%、48.26%、55.94%、57.96%和45.96%,且隨著抽采時(shí)間的延長,皮帶巷鉆孔瓦斯抽采濃度逐漸下降。在抽采第120天,3#孔、17#孔、37#孔、70#孔和87#孔抽采濃度降到最低,分別為3.75%、26.94%、27.22%、9.11%和11.06%。

在工作面軌道巷距離切眼前450 m范圍均勻選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析,如圖3所示?？梢钥闯?在鉆孔抽采開始第1天,9#孔、58#孔、104#孔、153#孔和199#孔的抽采濃度達(dá)到最高,分別為43.29%、35.74%、75.53%、45.66%和53.50%,且隨著抽采時(shí)間的延長,軌道巷鉆孔瓦斯抽采濃度逐漸下降。在抽采第120天,9#孔、58#孔、104#孔、153#孔和199#孔抽采濃度降到最低,分別為4.24%、4.83%、19.78%、4.69%和2.93%。

圖3 090507工作面軌道巷本煤層瓦斯抽采濃度分析

綜合分析,皮帶巷作為回風(fēng)巷,其鉆孔瓦斯有一部分來源于下部老空區(qū),因此鉆孔瓦斯可以在較高濃度下持續(xù)較長時(shí)間。

3.2 高位鉆孔抽采分析

3.2.1 高位鉆孔抽采傾斜距分析

高位鉆孔瓦斯抽采效果除了跟終孔位置的高度有極大關(guān)系外,跟終孔位置距回風(fēng)巷幫的水平距離亦有較大關(guān)系。高位鉆孔終孔點(diǎn)位置距回風(fēng)巷工作面幫的水平距離定義為鉆孔傾斜距。取090507工作面軌道巷5號(hào)高位鉆場鉆孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析鉆孔傾斜距與瓦斯抽采效果的關(guān)系。鉆場共施工16個(gè)鉆孔,鉆孔終孔位置距煤層頂板高度分別為32 m和27 m,鉆孔傾斜距分布為8～66 m,鉆孔的抽采濃度、抽采量與鉆孔傾斜距的關(guān)系如圖4所示。

圖4 090507軌道巷5號(hào)高位鉆場鉆孔瓦斯抽采濃度數(shù)據(jù)

可以看出,同高度鉆孔的瓦斯抽采濃度、抽采量隨傾斜距的不同呈現(xiàn)明顯規(guī)律,終孔位置距離工作面回風(fēng)巷越近瓦斯抽采濃度和抽采量越低,距離越遠(yuǎn)瓦斯抽采濃度和抽采量越高。鉆孔傾斜距布置在25～66 m時(shí),鉆孔位于塑性區(qū)破壞線以內(nèi),橫向和縱向裂隙發(fā)育程度較高,瓦斯抽采濃度或抽采量大,瓦斯抽采效果好。

3.2.2 高位鉆孔有效抽采平距分析

高位鉆孔抽采包括孔外抽采和孔內(nèi)抽采,孔內(nèi)抽采是指當(dāng)采面推進(jìn)到鉆孔終孔點(diǎn)位置的抽采,孔外抽采是指當(dāng)采面距鉆孔終孔位置還有一段距離,由于裂隙帶的作用能超前抽采瓦斯。090507軌道巷4#、9#高位鉆場鉆孔抽采濃度與平距關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?隨著工作面的推進(jìn),抽采瓦斯?jié)舛认仍龃?穩(wěn)定之后開始下降,逐漸趨于零。綜合分析,4#鉆場、9#鉆場中其高位鉆孔的平均有效抽采平距分別為52 m、110.6 m;鉆孔利用率分別為49.4%、84.8%?？梢?9#高位鉆場具有良好的抽采效果,且鉆孔利用率較高。

圖5 090507軌道不同高位鉆場鉆孔抽采濃度與平距關(guān)系

3.3 上隅角埋管抽放分析

上隅角埋管抽采效果主要與工作面周期來壓的情況有關(guān),周期來壓過程中,頂板垮落上隅角埋管抽放時(shí),效果較好。選取工作面回采160～280 m區(qū)間的上隅角埋管抽放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖6所示。其工作面周期來壓的距離為7～13 m,對(duì)上隅角抽采量的高點(diǎn)間距進(jìn)行分析(圖6中豎線間距),可以看出抽采量高點(diǎn)間距分別為7 m、8 m、13 m、8 m、9 m、9 m、10 m,與工作面周期來壓的步距一致。

圖6 090507工作面上隅角瓦斯抽放參數(shù)與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

上隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯,有利于減小上隅角瓦斯含量。實(shí)際生產(chǎn)過程中上隅角瓦斯?jié)舛扰c工作面生產(chǎn)強(qiáng)度和工作面走向瓦斯含量有較大關(guān)系,與上隅角埋管長度無明顯的規(guī)律。根據(jù)上隅角埋管瓦斯抽放濃度、抽放量和工作面推進(jìn)距離的關(guān)系,如圖7所示,分析得出上隅角最佳的埋管長度為15～20 m。

圖7 090507工作面上隅角瓦斯抽放參數(shù)與埋管距離關(guān)系

4 綜放工作面瓦斯治理綜合效果分析

090507工作面在抽采之前瓦斯?jié)舛葹?.36%～0.49%,平均為0.42%,工作面通過本煤層鉆孔對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采,抽采后很好的抑制了工作面煤壁瓦斯向工作面巷道涌出,大大減小了工作面風(fēng)排瓦斯量,工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆禐?.20%,抽采效果較好。當(dāng)090507工作面在井下的瓦斯抽采混合流量,由21.86 m3/min調(diào)整為77.39 m3/min,調(diào)整后工作面的瓦斯抽采量大大增加,風(fēng)排瓦斯量大大減小,如圖8所示。工作面瓦斯抽采率由之前的62.67%增加到89.78%,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档偷?.13%～0.05%,平均為0.08%,瓦斯抽采取得非常明顯的效果,為工作面生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。

圖8 090507工作面調(diào)整瓦斯抽采混合流量后回風(fēng)流瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽?/p>

5 結(jié)論

(1)通過理論計(jì)算,確定090507工作面采空區(qū)冒落帶最高發(fā)育高度為13.38～14.93 m,裂隙帶最高發(fā)育高度為35.75～51.54 m。

(2)順層鉆孔抽采時(shí)效分析表明本煤層鉆孔瓦斯抽采能夠在較高的濃度下持續(xù)較長時(shí)間;高位鉆孔抽采傾斜距分析表明鉆孔傾斜距布置在25～66 m時(shí),瓦斯抽采效果好;9#和10#高位鉆孔抽采效果較好,鉆孔利用率較高;上隅角最佳的埋管長度為15～20 m。

(3)當(dāng)提高090507工作面瓦斯抽采混合量時(shí),瓦斯抽采量增加,風(fēng)排瓦斯量減小,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆?平均為0.08%,具有很好的瓦斯治理效果。