高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采鉆孔設計及抽采效果分析

高璟盎

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著煤炭開采力度的加大,地質環境日趨復雜,煤層中瓦斯含量逐漸增大,對我國礦井安全高效生產帶來重大影響[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流中的瓦斯濃度,進而防止瓦斯爆炸[3]。礦井瓦斯又是一種清潔的能源,對于瓦斯涌出量較大的礦井,抽采瓦斯不僅是防治災害的措施,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展與應用[4],確保礦井安全高效生產。

工作面瓦斯來源主要包括本煤層瓦斯、鄰近層瓦斯、采空區瓦斯[5]。目前國內外研究者[6-7]在治理瓦斯方面一般采用高位鉆孔、采空區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,發現在瓦斯抽采巷中,前者較后者效果更好。侯金鑫[9]基于經驗公式法、數值模擬和試驗,對高位鉆孔參數進行優化研究,發現優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,并且對其進行了現場應用,發現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]基于數學模型、數值模擬,分析鉆孔抽采效果,得到鉆孔布孔間距與抽采半徑影響關系。王一琦等[12]研究不同參數順層鉆孔抽采作用,并分析其對抽采效果的影響,發現鉆孔的大直徑有利于提高瓦斯的抽采效率。

以山西某礦090507工作面為研究對象,工作面選用順層鉆孔、高位鉆孔和采空區埋管等方法,對090507工作面進行鉆孔設計及抽采,且對各鉆孔瓦斯抽采和瓦斯綜合治理效果進行分析。以期防止工作面及采空區瓦斯超限,為瓦斯抽采及瓦斯綜合管理提供依據,更好地指導礦山安全生產和瓦斯資源開發利用。

1 礦井概況

山西某礦8+9號煤層屬于不易自燃煤層的高瓦斯礦井。090507工作面采用全負壓獨立通風,采用單U型巷道布置,皮帶巷進風,軌道巷回風。

2 瓦斯抽采鉆孔設計

根據090507工作面瓦斯涌出來源和實際情況,針對工作面煤層、上鄰近層及本煤層采空區瓦斯涌出特點,選用順層鉆孔對本煤層瓦斯進行預抽;高位鉆孔對鄰近層瓦斯進行截抽;采空區埋管對采空區瓦斯進行邊采邊抽。

2.1 順層鉆孔抽采設計

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區域分別設計鉆孔垂直巷道中線,施工順層瓦斯抽采鉆孔。工作面共施工939個順層鉆孔,累計鉆孔進尺87 954 m。其中,皮帶巷共施工順層瓦斯抽采鉆孔298個,累計進尺26 208 m;軌道巷施工順層瓦斯抽采鉆孔641個,累計進尺61 746 m。

2.2 高位鉆孔抽采設計

2.2.1 上覆巖層裂隙發育帶理論計算

根據理論計算公式,計算090507工作面采空區冒落帶、裂隙帶發育高度,其中,冒落帶計算公式見式(1)[13]

(1)

式中,Hm為裂隙帶發育高度,m;M為煤層采高,4.4 m。

裂隙帶計算公式見式(2)[13]

(2)

式中,Hl為裂隙帶發育高度,m。

計算得到,090507工作面采空區冒落帶最高發育高度為13.38～14.93 m,裂隙帶最高發育高度為35.75～51.54 m。

綜合分析冒落帶和裂隙帶發育高度數據,090507工作面裂隙帶發育高度為14.93～51.54 m。結合8+9號煤層090508工作面頂板鉆孔抽采情況和采空區“三帶”活動規律的研究成果,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 工作面高位鉆孔設計

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,鉆場內布置平均深度為107 m的6個高位鉆孔;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,高位鉆場內鉆孔呈兩排布置,每個施工16個直徑為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,每個平鉆場內布置6個鉆孔,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工作面高位鉆孔設計示意

2.3 上隅角埋管抽放設計

為防止上隅角瓦斯積聚,沿090507工作面軌道巷敷設一路φ457 mm的低負壓瓦斯抽采管路,架設在袋子墻上方深入采空區頂板冒落三角區以內,連續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個點進行分析,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#孔抽采濃度達到最高,分別是59.79%、48.26%、55.94%、57.96%和45.96%,且隨著抽采時間的延長,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個點進行分析,如圖3所示。可以看出,在鉆孔抽采開始第1天,9#孔、58#孔、104#孔、153#孔和199#孔的抽采濃度達到最高,分別為43.29%、35.74%、75.53%、45.66%和53.50%,且隨著抽采時間的延長,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,皮帶巷作為回風巷,其鉆孔瓦斯有一部分來源于下部老空區,因此鉆孔瓦斯可以在較高濃度下持續較長時間。

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系外,跟終孔位置距回風巷幫的水平距離亦有較大關系。高位鉆孔終孔點位置距回風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號高位鉆場鉆孔抽采數據進行分析鉆孔傾斜距與瓦斯抽采效果的關系。鉆場共施工16個鉆孔,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系如圖4所示。

圖4 090507軌道巷5號高位鉆場鉆孔瓦斯抽采濃度數據

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明顯規律,終孔位置距離工作面回風巷越近瓦斯抽采濃度和抽采量越低,距離越遠瓦斯抽采濃度和抽采量越高。鉆孔傾斜距布置在25～66 m時,鉆孔位于塑性區破壞線以內,橫向和縱向裂隙發育程度較高,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抽采,孔內抽采是指當采面推進到鉆孔終孔點位置的抽采,孔外抽采是指當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系如圖5所示。可以看出,隨著工作面的推進,抽采瓦斯濃度先增大,穩定之后開始下降,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%。可見,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,周期來壓過程中,頂板垮落上隅角埋管抽放時,效果較好。選取工作面回采160～280 m區間的上隅角埋管抽放數據進行分析,如圖6所示。其工作面周期來壓的距離為7～13 m,對上隅角抽采量的高點間距進行分析(圖6中豎線間距),可以看出抽采量高點間距分別為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與工作面推進距離關系

上隅角埋管抽放采空區瓦斯,有利于減小上隅角瓦斯含量。實際生產過程中上隅角瓦斯濃度與工作面生產強度和工作面走向瓦斯含量有較大關系,與上隅角埋管長度無明顯的規律。根據上隅角埋管瓦斯抽放濃度、抽放量和工作面推進距離的關系,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與埋管距離關系

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濃度為0.36%～0.49%,平均為0.42%,工作面通過本煤層鉆孔對煤層瓦斯進行抽采,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排瓦斯量,工作面回風流瓦斯濃度下降為0.20%,抽采效果較好。當090507工作面在井下的瓦斯抽采混合流量,由21.86 m3/min調整為77.39 m3/min,調整后工作面的瓦斯抽采量大大增加,風排瓦斯量大大減小,如圖8所示。工作面瓦斯抽采率由之前的62.67%增加到89.78%,回風流瓦斯濃度降低到0.13%～0.05%,平均為0.08%,瓦斯抽采取得非常明顯的效果,為工作面生產創造了良好的條件。

圖8 090507工作面調整瓦斯抽采混合流量后回風流瓦斯濃度和瓦斯涌出量

5 結論

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

(2)順層鉆孔抽采時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較長時間;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,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)當提高090507工作面瓦斯抽采混合量時,瓦斯抽采量增加,風排瓦斯量減小,回風流瓦斯濃度下降,平均為0.08%,具有很好的瓦斯治理效果。