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)

基于黃陵一號煤礦UDEC高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計應(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)

為對黃陵一號煤礦工作面高位抽采鉆孔參數(shù)進行合理優(yōu)化,應(yīng)用UDEC軟件對工作面采空區(qū)上覆巖層的運移和裂隙延展進行了數(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;對高位鉆孔抽采的最佳布孔層位進行了現(xiàn)場測定考察,結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場考察結(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,實現(xiàn)了對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,掘進時隨煤層一起冒落;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冒落帶及裂隙帶的范圍進行研究和計算,為此煤炭科學(xué)研究總院西安研究院對黃陵一號煤礦裂隙帶和冒落帶進行了考察,通過對相鄰工作面頂板冒落帶以及裂隙帶計算結(jié)果以及對本煤層圍巖進行實驗室試驗,由經(jīng)驗公式計算得出603工作面2#煤層采動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)驗公式計算得出603工作面2#煤層覆巖采動冒落帶高度為14.8 m左右,經(jīng)過施工佐證得出603工作面2#煤層覆巖采動冒落帶高度小于23.4 m。

2 采動過程上覆巖層數(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×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)點只在垂直方向運動,模型底部設(shè)為全約束邊界,巖層的自重作用在上部邊界。計算選擇摩爾-庫侖屈服準則。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?；夭赏七M距離10 m、 20 m、50 m、100 m、150 m、200 m時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。

推進距離10 m時,直接頂開始垮落,呈拱形冒落,冒落高度為4～6 m;當推進到20 m時,垮落范圍擴大,拱形更加明顯,冒落帶高度已經(jīng)達到8～10 m;當推進到50 m時,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,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。隨著工作面推進距離的不斷增加,直接頂和老頂開始進行有周期性的垮落,而垮落下來的巖石在采空區(qū)也慢慢被壓實,但在兩側(cè)裂隙帶高度明顯高于被壓實區(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。鉆場間距60 m,設(shè)計布置10個鉆場,每個鉆場布置8個鉆孔,孔徑94 mm,孔長在110～150 m之間,每一鉆孔用直徑113 mm鉆頭擴孔4 m長,用鋼管(或PVC管)配合馬麗散封孔,封孔長度均不小于3.5 m,1#高位鉆場詳細參數(shù)見表2。

603工作面1#高位鉆場鉆孔平剖面布置如圖3所示。

圖3 603工作面高位鉆場鉆孔布置圖

在603回風(fēng)巷的一個鉆場安置4個孔板流量計,每天根據(jù)工作面的進尺實測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,當鉆孔進入裂隙帶時,瓦斯抽采純量逐漸增大;當鉆孔由裂隙帶進入冒落帶后,瓦斯抽采純量開始逐漸減小。因此整個過程中瓦斯純量隨著推進距離基本上呈現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢。從測定的數(shù)據(jù)可知,在鉆孔距離鉆場40～120 m范圍內(nèi)抽采效果較好。

為了對比不同層位瓦斯抽采效果,繪制了工作面推進到不同位置時,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?？傮w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?？傮w上講,高位鉆孔在距離回風(fēng)巷平距4～35 m時抽采效果較好。

通過對以上模擬數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場考察數(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時抽采效果較好,鉆場間距定為60 m為佳,孔長最長定在140 m為佳,終孔定在裂隙帶的中下部,故仰角定在10°為佳,3#鉆場詳細鉆孔優(yōu)化參數(shù)如表3所示,為在603工作面將要施工的3#鉆場及鉆孔參數(shù)提供依據(jù)。

603工作面高位鉆場鉆孔優(yōu)化布置如圖7所示。

圖7 工作面高位鉆場鉆孔優(yōu)化布置圖

通過測定現(xiàn)場不同鉆孔的實際瓦斯流量參數(shù)以及UDEC模擬,合理優(yōu)化了高位鉆場鉆孔參數(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;同時得出高位鉆孔在距離回風(fēng)巷平距4～35 m時抽采效果較好。

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

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(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。