郝天軒 姚春雨

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

★煤礦安全 ★

黃陵礦區(qū)二礦高位裂隙鉆孔瓦斯抽采有效性分析

郝天軒 姚春雨

(河南理工大學安全科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

闡述了采用高位鉆孔瓦斯抽采的技術(shù)關(guān)鍵,確定了工作面上方的冒落帶和裂隙帶高度,并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)考察了鉆孔的有效利用率和鉆場間距合理性,結(jié)果表明:黃陵礦區(qū)二礦107工作面回風巷高位裂隙鉆孔布置較合理,能夠解決工作面瓦斯涌出量較大的問題,如果降低鉆孔仰角,使鉆孔的終孔位置位于冒落帶之上、裂隙帶的中下部,可以更有效抽采瓦斯。

高位裂隙鉆孔 瓦斯抽采 鉆場間距 黃陵礦區(qū)

AbstractThis paper elaborates on the key technology used in gas extraction via high positioned drill holes.It also determines the height of caving zones and fissure zones over working faces and also probes the effective utilization ratio of drill holes and the rationality of drill field spacing according to the test data obtained on site.The results show that the arrangement of high positioned drill holes are rationalized in the fissire zones in the return air entry of#107 face, which can handle large gas inflow in coal faces.When the drill hole elevation angles are reduced to allow the ends of the drill holes to reach the location above caving zones and the middle-lower part of fissure zones,an even effective gas extraction can be realized.

Key wordshigh positioned drill hole in fissure zone,gas extraction,drilling site spacing, Huangling coal mining area

瓦斯抽采是解決瓦斯災(zāi)害的根本性措施。現(xiàn)階段,高位裂隙鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是治理工作面瓦斯的重要技術(shù)措施,如何保證這一技術(shù)既能達到災(zāi)害防治的目的又能實現(xiàn)工作面高效生產(chǎn)并進一步有效利用瓦斯成為生產(chǎn)當中亟待解決的問題。

1 高位裂隙鉆孔抽采技術(shù)關(guān)鍵

高位裂隙鉆孔是布置在工作面頂板上方裂隙帶中用于抽采工作面瓦斯的鉆孔。高位裂隙鉆孔抽采瓦斯的技術(shù)關(guān)鍵就是確定鉆孔布置參數(shù),確切地說就是確定瓦斯抽采的最優(yōu)匯集區(qū)域,這個匯集區(qū)域必須具備4個基本特征。

(1)匯集區(qū)域所在巖層的層位必須在長時間內(nèi)穩(wěn)定存在,保證具有相當長的瓦斯抽采時間。

(2)具有穩(wěn)定的高瓦斯?jié)舛?成為采場范圍內(nèi)的一個“瓦斯庫”,能保證較高的瓦斯抽采率。

(3)在采動影響下會產(chǎn)生一定的裂隙通道,能使臨近層等較大范圍處的瓦斯可以源源不斷地進入。

(4)產(chǎn)生的裂隙通道不能過度暢通,以防大量空氣進入,降低抽采濃度和抽采效率。

在對高位裂隙鉆孔布置參數(shù)和抽放效果分析后,如果瓦斯抽采的區(qū)域滿足上述特征則證明鉆孔布置參數(shù)合理有效。

2 工作面瓦斯涌出原因分析

高位裂隙鉆孔主要解決因工作面瓦斯涌出量大而造成回風流和上隅角瓦斯超限問題。準確分析工作面瓦斯涌出來源是確定高位裂隙鉆孔參數(shù)的首要工作。

通過現(xiàn)場考察和理論分析,將黃陵礦區(qū)二礦綜采工作面瓦斯涌出源劃分為工作面本煤層瓦斯涌出、鄰近煤層瓦斯涌出、采空區(qū)落煤瓦斯涌出、采空區(qū)煤柱瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出5個部分,工作面本煤層瓦斯涌出又包括采落煤瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出兩部分。

含瓦斯煤層在開采過程中,鄰近煤層及圍巖中瓦斯的賦存條件遭到破壞,在一定區(qū)域內(nèi)這部分瓦斯也涌入工作面,同本煤層瓦斯涌出一起構(gòu)成采煤工作面瓦斯涌出。在黃陵二礦開采2#煤層后,上覆20 m左右?guī)r層及1#煤層產(chǎn)生卸壓,卸壓煤層瓦斯沿著采動裂隙向采空區(qū)下滲;2#煤層上部有儲氣性能較好的砂巖層,開采2#煤層時,砂巖層中的這部分瓦斯也會沿著采動裂隙涌向采空區(qū)。聚集在采空區(qū)的瓦斯在濃度梯度的作用下向工作面方向擴散;另外,工作面部分風量流向采空區(qū),這部分漏風在工作面回風側(cè)又流向工作面,并將采空區(qū)瓦斯帶入工作面。由此可見,實施高位鉆孔抽采既可解決鄰近層和圍巖來源瓦斯,又可減少采空區(qū)向工作面的瓦斯涌出。

3 107工作面高位裂隙鉆孔介紹

表1 107工作面高位鉆孔參數(shù)

根據(jù)原有研究資料和現(xiàn)場經(jīng)驗黃陵礦區(qū)二礦107工作面初步設(shè)計了高位裂隙鉆孔。鉆場位于107回風巷,距切眼1230 m開始布置。鉆場間距70 m,每個鉆場有鉆孔7個,孔徑94 mm,孔長均為150 m,每一鉆孔用直徑113 mm鉆頭擴孔4 m長,用3寸鋼管 (或PVC管)配合馬麗散封孔,封孔長度均不小于3.5 m,詳細鉆孔參數(shù)見表1,鉆孔布置見圖1。

4 高位裂隙鉆孔考察與分析

4.1 鉆孔終孔位置分析

高位裂隙鉆孔終孔位置應(yīng)在采空區(qū)上覆巖層的冒落拱上方裂隙帶中,也就是冒落帶的上部和裂隙帶的中下部,這樣卸壓瓦斯才可以通過裂隙被高位鉆孔抽采,達到降低工作面瓦斯涌出的效果。因此,準確分析采空區(qū)上覆巖層的冒落帶和裂隙帶是確定瓦斯抽采最優(yōu)匯集區(qū)域的首要工作。

圖1 107工作面高位鉆孔布置圖

4.1.1 冒落帶的確定

冒落帶高度h冒主要取決于采厚和上覆巖石的碎脹性,通常為采厚的3～5倍。根據(jù)107綜采工作面的覆巖巖性特征,按中硬巖層處理,則可使用如下統(tǒng)計公式:

式中:M——開采煤層的厚度,m。

107工作面開采煤層平均厚度為5.2 m,綜采時一次采全高。則根據(jù)式 (1)得冒落帶高度h冒= 9.8～14.2 m,為方便理論分析按平均10 m計算。

4.1.2 裂隙帶的確定

巖層破斷后,巖塊仍然排列整齊的區(qū)域即為裂縫帶 (裂隙帶)。冒落帶與裂隙帶合稱“兩帶”,又稱為導水裂縫帶,從瓦斯防治工作考慮又稱導氣帶。按中等強度巖石計算則可導氣帶高度h導使用如下統(tǒng)計公式:

式中:M—開采煤層的厚度,m。

開采煤層的厚度按5.2 m,則根據(jù)式 (2)得導氣帶高度h導=38～49.2 m,為方便理論分析按平均40 m計算。

根據(jù)表1中1#鉆孔終孔與頂板的垂距為38.8 m可以看出,鉆孔的終孔位置是位于裂隙帶中的,而且穿過了位于2#煤之上20 m左右的1#煤,可直接抽采此鄰近層瓦斯,但位置稍高沒有落入裂隙帶中下部。不過,隨著工作面的推進可以較長時間抽采瓦斯。

4.2 鉆孔有效利用率及有效長度

根據(jù)采場上覆巖層活動規(guī)律的分析,鉆孔只有在冒落帶上方才是有效的 (見圖2),因為隨著工作面的推進,進入冒落帶的孔就會隨頂板垮落而導致抽風量過大無高濃度瓦斯或直接被堵死,失去作用。其鉆孔有效長度計算見圖2。

圖2 鉆孔有效利用率及有效長度計算

按三角形相似比鉆孔有效效率為:

式中:ρ——鉆孔有效效率,%;

H孔終——孔終位置高度,m;

H冒——冒落帶高度,m。

有效長度:

式中:L有效——鉆孔有效長度,m;

L孔——鉆孔長度,m。

則按公式 (3)計算鉆孔有效率ρ為74%,按公式 (4)計算鉆孔的有效長度L有效為111 m。

理論分析鉆孔的有效效率和有效長度都較高,故能在保證較小工程量的同時取得很好的抽放效果。

4.3 鉆場間距

使用高位裂隙鉆孔抽采瓦斯時,確定場間距也是技術(shù)關(guān)鍵之一。合理的鉆場間距可保證前一個鉆場內(nèi)的鉆孔由于受采動裂隙的影響而失去抽放能力后,后一鉆場內(nèi)的鉆孔可馬上抽采出較高濃度的瓦斯,從而保證工作面瓦斯涌出始終保持在一個較低的水平。

按照公式 (2)已分析了鉆孔的有效長度L有效確定鉆場間距L間距,其關(guān)鍵就是保證每一個鉆場鉆孔終孔位置都處于上一個鉆場的有效長度L有效之上,見圖3。

圖3 鉆場間距確定示意圖

式中:a——鉆孔仰角,(°)。

把公式 (4)得到的L有效=111 m和α=15°代入公式 (5)得鉆孔間距為107 m,而為了保證穩(wěn)定的瓦斯抽采,把鉆場間距定在70 m可保證37 m鉆孔接替,在同時抽采兩個鉆場的情況下效果應(yīng)非常明顯。

4.4 現(xiàn)場實測分析

為了準確分析高位鉆孔的效果,印證理論設(shè)計與分析,在107回風巷的一個鉆場安置4個孔板流量計,同時加設(shè)4個測氣孔,每天下井對應(yīng)工作面的進尺實測每個鉆孔管路上孔板壓差濃度,并通過計算得到該鉆孔的瓦斯混合流量和瓦斯純量。部分鉆孔瓦斯純量數(shù)據(jù)示意圖見圖4。

圖4 瓦斯純量與鉆孔距頂板高度關(guān)系圖

由圖4可知:鉆孔距頂板高度30 m之后開始有瓦斯被抽出,與回風巷平距最大的6#、7#孔首先有數(shù)值且7#孔很快達到最大值,之后是6#孔達到最大值,而它們都在鉆孔距頂板高度17m左右發(fā)生突變。3#孔和4#孔在6#孔和7#孔數(shù)值變小后達到高峰且在鉆孔距頂板高度10 m左右發(fā)生突變,此處應(yīng)為冒落高度,而各孔效果也趨于一致。從3#、4#、6#、7#孔的曲線變化可以看出冒落拱距回風巷平距上的高度變化,最大冒落高度在17 m左右,最小冒落高度在10 m左右,與按照公式(1)計算的冒落高度在9.8～14.2 m相吻合。6#孔的瓦斯純量明顯大于7#孔,說明鉆孔距回風巷的平距并不是越大越好,在30 m之內(nèi)是比較合適的。距離回風巷較近的3#、4#孔前期抽放效果一般說明鉆孔長度并不須一致,靠近回風巷的鉆孔可適當減小鉆孔長度。而數(shù)據(jù)都出現(xiàn)在鉆孔距頂板高度30 m之后正驗證了裂隙帶高度在40 m左右,因為只有鉆孔的終孔位置位于裂隙帶的中下部才能靠較好的裂隙發(fā)育抽采瓦斯。

4.5 抽放總體效果分析

(1)抽放瓦斯量統(tǒng)計。抽放泵站的107高位裂隙瓦斯抽放日報表統(tǒng)計結(jié)果顯示,以2009年6月共抽采瓦斯量 644814.64 m3,平均抽采瓦斯量14.9 m3/min。

(2)抽放率計算。

式中:dgk——高位鉆孔瓦斯抽放率,%;

Qg——高位鉆孔瓦斯抽采量,m3/min(以6月份為基礎(chǔ),按14.9m3/min);

Wg——工作面絕對瓦斯涌出量,m3/min (以6月份瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按1.93m3/min);

Rg——上隅角瓦斯抽采量,m3/min(以 6月份抽放泵站統(tǒng)計為準,按1.6m3/min)。

經(jīng)計算,dgk=80.8%。

由計算可得出高位裂隙鉆孔的抽放率達到了80%以上,效果非常明顯。

(3)抽放前后瓦斯情況對比。抽放前工作面配風1700 m3/min,回風巷瓦斯?jié)舛茸畲髸r0.93%左右,絕對瓦斯涌出量8 m3/min左右。抽放后,抽出瓦斯量平均在14 m3/min左右,工作面回風絕對瓦斯涌出量降至2 m3/min左右,回風瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.3%,各地點瓦斯均無超限現(xiàn)象,工作面正常開采。抽放泵停運期間,工作面回風瓦斯?jié)舛戎饾u上升,并穩(wěn)定在1.0%左右,抽放泵開起后,工作面回風瓦斯?jié)舛戎饾u下降,穩(wěn)定在0.2%～0.3%之間。這說明工作面瓦斯涌出量比較穩(wěn)定,抽放工藝對降低工作面瓦斯?jié)舛绕鸬搅藳Q定性作用。

5 結(jié)論和建議

經(jīng)綜合分析,107工作面回風巷高位裂隙鉆孔布置比較合理,能夠較好的解決工作面瓦斯涌出量較大的問題?，F(xiàn)107工作面已基本回采完畢,建議布置下區(qū)段綜采工作面的高位裂隙鉆孔時,在結(jié)合采高的基礎(chǔ)上充分考慮冒落帶和裂隙帶的高度,并考慮煤層傾角,降低鉆孔仰角α,使鉆孔的終孔位于冒落帶之上、裂隙帶的中下部,可保證有更好的抽放效果。另外,在鉆孔的扇形布置上可考慮冒落拱的高度變化,從7#孔到1#孔逐漸縮短鉆孔長度,減少鉆孔施工工作量。詳細優(yōu)化鉆孔參數(shù)見表2和圖5。

表2 工作面高位裂隙鉆孔優(yōu)化參數(shù)表

圖5 工作面高位鉆場鉆孔布置優(yōu)化圖

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(責任編輯 梁子榮)

An analysis of the effectiveness of gas extraction by high-positioned fissure drill-holes made in No.2 Mine in Huangling mining area

Hao Tianxuan,Yao Chunyu
(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan province 454000,China)

TD712.6

B

郝天軒 (1976-),男,河南省孟州市人,博士,副教授,現(xiàn)從事煤礦安全教學和研究工作。