基于黃陵一號(hào)煤礦UDEC高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

張海波 周玉軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院,河南省焦作市,454000)

基于黃陵一號(hào)煤礦UDEC高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

張海波 周玉軍

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院,河南省焦作市,454000)

為對(duì)黃陵一號(hào)煤礦工作面高位抽采鉆孔參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化,應(yīng)用UDEC軟件對(duì)工作面采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)移和裂隙延展進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬得出了上覆巖層冒落帶和裂隙帶的裂隙延展范圍;對(duì)高位鉆孔抽采的最佳布孔層位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定考察,結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果,確定了兩帶的高度范圍和高位鉆孔抽采的最佳抽采層位,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)的合理優(yōu)化。

高位鉆孔抽采 數(shù)值模擬 垂直三帶高度 布孔層位 參數(shù)優(yōu)化

1 工作面概況

黃陵一號(hào)煤礦603工作面開采2#煤層,煤層平均厚度2.644 m,偽頂為碳質(zhì)泥巖,厚度小于0.1 m,掘進(jìn)時(shí)隨煤層一起冒落;直接頂為灰黑色泥巖,厚度1 m左右;老頂為粉沙巖、細(xì)巖互層,厚度20 m左右。2#煤層上20 m左右為1#煤層,厚度為0.5 m左右,為不可采煤層,但1#煤層瓦斯含量較高,在2#煤層所布置的工作面正常回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限情況,因此采取必要的高位鉆孔來(lái)抽采卸壓區(qū)域內(nèi)的瓦斯。

隨著工作面回采過程中頂板垮落,為合理布置高位鉆孔的位置需要對(duì)冒落帶及裂隙帶的范圍進(jìn)行研究和計(jì)算,為此煤炭科學(xué)研究總院西安研究院對(duì)黃陵一號(hào)煤礦裂隙帶和冒落帶進(jìn)行了考察,通過對(duì)相鄰工作面頂板冒落帶以及裂隙帶計(jì)算結(jié)果以及對(duì)本煤層圍巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出603工作面2#煤層采動(dòng)覆巖裂隙帶上界垂高為65.5 m,裂隙帶最發(fā)育的垂高范圍為14.8～42.2 m;經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出603工作面2#煤層覆巖采動(dòng)冒落帶高度為14.8 m左右,經(jīng)過施工佐證得出603工作面2#煤層覆巖采動(dòng)冒落帶高度小于23.4 m。

2 采動(dòng)過程上覆巖層數(shù)值模擬

2.1 模擬工作面模型的建立

603工作面推進(jìn)過程中,利用UDEC模擬軟件模擬回采期間采空區(qū)上覆巖層的冒落帶和裂隙帶演化情況。模型尺寸為500 m×200 m(長(zhǎng)×高),模型左右邊界設(shè)為單約束邊界,施加水平方向的約束力,邊界結(jié)點(diǎn)只在垂直方向運(yùn)動(dòng),模型底部設(shè)為全約束邊界,巖層的自重作用在上部邊界。計(jì)算選擇摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。物理力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 物理模型圖

煤與巖體力學(xué)和節(jié)理面力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤與巖體力學(xué)和節(jié)理面力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬603工作面正常回采推進(jìn)距離10 m、 20 m、50 m、100 m、150 m、200 m時(shí)上覆巖層的破斷及垮落情況,煤層位于冒落帶下方,如圖2所示。

推進(jìn)距離10 m時(shí),直接頂開始垮落,呈拱形冒落,冒落高度為4～6 m;當(dāng)推進(jìn)到20 m時(shí),垮落范圍擴(kuò)大,拱形更加明顯,冒落帶高度已經(jīng)達(dá)到8～10 m;當(dāng)推進(jìn)到50 m時(shí),冒落帶高度基本穩(wěn)定在了12～14 m而不再向上發(fā)展。隨著開挖的持續(xù)推進(jìn),在冒落帶上部,裂隙帶的巖層沿層理裂開形成離層裂隙和垂直或斜交于巖層的破斷裂隙,從整體上看,裂隙帶高度為45～50 m;裂隙帶上部的彎曲下沉帶巖層整體位移,并在自重的作用下產(chǎn)生法向彎曲,但基本上保持了原有的整體性。根據(jù)模擬結(jié)果,2#煤層開采形成的冒落帶高度為12～ 14 m,裂隙帶高度為45～50 m,最佳發(fā)育裂隙高度為25～28 m。隨著工作面推進(jìn)距離的不斷增加,直接頂和老頂開始進(jìn)行有周期性的垮落,而垮落下來(lái)的巖石在采空區(qū)也慢慢被壓實(shí),但在兩側(cè)裂隙帶高度明顯高于被壓實(shí)區(qū)的裂隙帶高度,存在較為明顯的豎向破斷裂隙,由此可以推斷在采空區(qū)四周存在一定范圍的裂隙發(fā)育區(qū)。

3 現(xiàn)場(chǎng)考察及參數(shù)優(yōu)化

在603工作面回風(fēng)巷距回采面150 m開始布置高位鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)間距60 m,設(shè)計(jì)布置10個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)布置8個(gè)鉆孔,孔徑94 mm,孔長(zhǎng)在110～150 m之間,每一鉆孔用直徑113 mm鉆頭擴(kuò)孔4 m長(zhǎng),用鋼管(或PVC管)配合馬麗散封孔,封孔長(zhǎng)度均不小于3.5 m,1#高位鉆場(chǎng)詳細(xì)參數(shù)見表2。

603工作面1#高位鉆場(chǎng)鉆孔平剖面布置如圖3所示。

圖3 603工作面高位鉆場(chǎng)鉆孔布置圖

在603回風(fēng)巷的一個(gè)鉆場(chǎng)安置4個(gè)孔板流量計(jì),每天根據(jù)工作面的進(jìn)尺實(shí)測(cè)鉆孔瓦斯流量和濃度。通過數(shù)據(jù)整理、分析,繪制了工作面距離高位鉆孔位置與部分鉆孔瓦斯抽采純量的關(guān)系曲線,如圖4所示。

圖4 工作面距離高位鉆孔位置和部分鉆孔抽采瓦斯純量的關(guān)系

從圖4可以看出,當(dāng)鉆孔進(jìn)入裂隙帶時(shí),瓦斯抽采純量逐漸增大;當(dāng)鉆孔由裂隙帶進(jìn)入冒落帶后,瓦斯抽采純量開始逐漸減小。因此整個(gè)過程中瓦斯純量隨著推進(jìn)距離基本上呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢(shì)。從測(cè)定的數(shù)據(jù)可知,在鉆孔距離鉆場(chǎng)40～120 m范圍內(nèi)抽采效果較好。

為了對(duì)比不同層位瓦斯抽采效果,繪制了工作面推進(jìn)到不同位置時(shí),部分鉆孔距頂板高度和瓦斯抽采純量的關(guān)系曲線,如圖5所示。總體上看,布置在中間層位的4#和5#鉆孔抽采效果較好,而層位布置較高的8#鉆孔抽采效果較差。從單孔情況看4#鉆孔在距離頂板9～21 m范圍內(nèi)抽采效果較好;5#鉆孔在距離頂板11～29 m范圍內(nèi)抽采效果較好;8#鉆孔總體效果不好,僅在16 m附近有一定的效果。

圖5 高位鉆孔距頂板高度和抽采瓦斯純量的關(guān)系

根據(jù)高位鉆孔抽采效果考察,最佳抽采層位距離煤層頂板應(yīng)為10～29 m。從數(shù)值模擬中可以看到,煤巖層的最佳發(fā)育裂隙高度為25～28 m,這與現(xiàn)場(chǎng)的考察結(jié)果較為吻合。綜合高位鉆孔抽采效果考察及數(shù)值模擬結(jié)果,加之抽采鉆孔抽采時(shí)空關(guān)系,最佳抽采層位距離煤層頂板可定為13～25 m,隨鉆孔距離回風(fēng)巷平距的增大,鉆孔終孔高度逐步增大。

為了詳細(xì)分析鉆孔距離回風(fēng)巷平距與抽采效果的關(guān)系,根據(jù)考察結(jié)果繪制了部分鉆孔距離回風(fēng)巷平距與瓦斯抽采純量的關(guān)系,如圖6所示。

圖6 高位鉆孔距回風(fēng)巷的平距和抽采瓦斯純量的關(guān)系

由圖6可以看出,4#鉆孔最佳位置是距回風(fēng)巷平距12～36 m之間,抽采效果較好;5#鉆孔的最佳位置是距回風(fēng)巷平距3～8 m之間;8#鉆孔的最佳位置是距回風(fēng)巷平距15～40 m之間。總體上講,高位鉆孔在距離回風(fēng)巷平距4～35 m時(shí)抽采效果較好。

通過對(duì)以上模擬數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)考察數(shù)據(jù)的分析,可得高位鉆孔優(yōu)化參數(shù)：裂隙帶高度為45～ 50 m,最佳抽采層位距離煤層頂板應(yīng)為13～25 m,高位鉆孔在距離回風(fēng)巷平距4～35 m時(shí)抽采效果較好,鉆場(chǎng)間距定為60 m為佳,孔長(zhǎng)最長(zhǎng)定在140 m為佳,終孔定在裂隙帶的中下部,故仰角定在10°為佳,3#鉆場(chǎng)詳細(xì)鉆孔優(yōu)化參數(shù)如表3所示,為在603工作面將要施工的3#鉆場(chǎng)及鉆孔參數(shù)提供依據(jù)。

603工作面高位鉆場(chǎng)鉆孔優(yōu)化布置如圖7所示。

圖7 工作面高位鉆場(chǎng)鉆孔優(yōu)化布置圖

通過測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)不同鉆孔的實(shí)際瓦斯流量參數(shù)以及UDEC模擬,合理優(yōu)化了高位鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù),優(yōu)化后的高位鉆孔的瓦斯抽采純量有明顯的提高,且在工作面正常回采過程中沒有出現(xiàn)超限情況,表明優(yōu)化后的參數(shù)更合理。

表3 3#鉆場(chǎng)高位鉆孔優(yōu)化參數(shù)表

4 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,工作面回采過程中采空區(qū)上覆巖層冒落帶高度為12～14 m,裂隙帶高度為45～50 m,最佳發(fā)育裂隙高度為25～28 m。

(2)根據(jù)高位鉆孔抽采效果考察,最佳抽采層位距離煤層頂板應(yīng)為10～21 m;這與模擬的結(jié)果較為吻合;同時(shí)得出高位鉆孔在距離回風(fēng)巷平距4～35 m時(shí)抽采效果較好。

(3)結(jié)合模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察的結(jié)果,確定最佳抽采層位距離煤層頂板應(yīng)為13～25 m,據(jù)此對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

[1] 袁東升.保護(hù)層開采瓦斯立體抽放技術(shù)探索[J].煤炭工程,2009(10)

[2] 畢德純,薛佩峰,楊蘭海.高突厚煤層高位鉆孔抽放技術(shù)參數(shù)優(yōu)化[J].煤礦安全,2012(10)

[3] 馬金魁,富向,郭曉敏.采空區(qū)高位鉆場(chǎng)瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2016(2)

[4] 李宗翔.回采采空區(qū)上隅角瓦斯抽放的數(shù)值模擬與參數(shù)確定[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2002(1)

[5] 高保彬,高佳佳,袁東升.基于UDEC的大采高覆巖破裂的模擬與分析[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(2)

[6] 高保彬,李回貴,王洪磊.UDEC下保護(hù)層開采裂隙演化及瓦斯?jié)B流規(guī)律[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013(10)

[7] 馬小輝,王巖.高瓦斯易自燃綜放工作面高位瓦斯抽放鉆孔位置優(yōu)選研究[J].中國(guó)煤炭,2011(6)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Application research on optimization design of high position drilling based on UDEC in Huangling No.1 Coal Mine

Zhang Haibo,Zhou Yujun
(Henan College of Industry&Information Technology,Jiaozuo,Henan 454000,China)

To optimize the parameters of high position drilling of Huangling No.1 Mine work face,UDEC is utilized for numerical simulation of migration and fracture extension of overlying strata above the goaf,coming up with the extension of fracture zone and caving zone of the overlying strata;the optimum drilling position and distribution were measured on site,numerical simulation and in-situ measurement results accounted for the height extension of fracture zone and caving zone and the optimum drainage position of high position drilling,realizing optimization of the drainage parameters of high position drilling.

high position drilling drainage,numerical simulation,height of vertical three zones,borehole positioning,parameter optimization

TD712.62

A

張海波(1976-),男,遼寧撫順人,副教授,碩士研究生,從事采礦及安全的教學(xué)及科研工作。