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        高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在太岳煤礦的研究與應(yīng)用

        2018-03-25 08:11:42郝明輝
        中國(guó)煤炭工業(yè) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:封孔高位裂隙

        文 / 郝明輝 楊 杰

        山東能源棗礦集團(tuán)太岳煤礦位于山西省長(zhǎng)治市,礦井所開(kāi)采的2號(hào)煤層為中厚煤層,其上下鄰近層間距較小,工作面回采期間瓦斯治理難度較大。為此,提出了高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及理論分析,確定了礦井采空區(qū)冒落帶的高度,并據(jù)此對(duì)高位鉆孔合理布孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了近距離鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采,確保了礦井安全、高效開(kāi)采。

        一、礦井概況

        太岳煤礦批準(zhǔn)開(kāi)采井田內(nèi)1號(hào)、2號(hào)煤層,井田面積37.414km2,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5Mt/a,核定生產(chǎn)能力為2.10Mt/a。礦井采用立井-斜井開(kāi)拓方式開(kāi)拓。工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高的采煤方法。太岳煤礦為高瓦斯礦井,采用中央并列式通風(fēng)方式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。

        井田范圍內(nèi)1號(hào)煤層厚0~1.23m,平均0.57m,煤質(zhì)為焦煤或瘦煤,賦存不穩(wěn)定,不具備開(kāi)采條件。目前僅開(kāi)采二疊系下統(tǒng)山西組下部2號(hào)煤層,2號(hào)煤層位于1號(hào)煤層下部,距1號(hào)煤層8.34~22.92m,平均16.88m。2號(hào)煤層厚度1.71~3.00m,平均厚度為2.2m,煤層傾角2°~13°,為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層,其煤質(zhì)為焦煤或瘦煤;該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,僅局部夾1~3層泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸,夾矸厚度0.04~0.24m,平均0.13m。

        目前采深條件下,2號(hào)煤層瓦斯含量為4.5m3/t~7.8m3/t。由于1號(hào)煤層與2號(hào)煤層成煤地質(zhì)史一致,因此可以推測(cè)1號(hào)煤層具有較為一致的瓦斯賦存規(guī)律。由于層間距非常近,在2號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中,受卸壓效應(yīng)的影響,1號(hào)煤層卸壓瓦斯將大量涌入2號(hào)煤層采掘空間,使得工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕?、上隅角瓦斯超限等?wèn)題頻發(fā),為2號(hào)煤層安全、高效開(kāi)采帶來(lái)極大的挑戰(zhàn),因此,必須對(duì)1號(hào)煤層瓦斯進(jìn)行有效治理。

        二、高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

        基于太岳煤礦1、2號(hào)煤層層間距較近的實(shí)際情況,結(jié)合礦井瓦斯治理水平,決定采用高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)對(duì)1號(hào)煤層進(jìn)行高效瓦斯抽采。但高位鉆孔終孔位置距2號(hào)煤層的垂高、內(nèi)錯(cuò)工作面的距離等參數(shù)對(duì)瓦斯抽采效果極為重要,需進(jìn)行細(xì)致的研究,從而實(shí)現(xiàn)抽采效果最優(yōu)。

        1. 冒落帶高度的確定

        在工作面退采過(guò)后,采空區(qū)范圍內(nèi)會(huì)形成高度不等的“三帶”,即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中,冒落帶為煤層上方巖體垮落形成的松散巖體帶,直接與工作面空間溝通,透氣性極好;裂隙帶位于冒落帶上方,由于冒落帶巖體碎脹特性使裂隙帶巖體得到有效的支撐未能冒落,但形成了大量相互溝通的裂隙,是層間瓦斯流動(dòng)的主要通道;彎曲下沉帶是由于關(guān)鍵層的控制、裂隙帶的支撐等發(fā)生卸壓但未斷裂的巖層帶,裂隙不發(fā)育。

        高位鉆孔要實(shí)現(xiàn)鄰近層瓦斯高效抽采,其鉆孔終孔位置必須位于冒落帶以上、彎曲下沉帶范圍內(nèi)。若高位鉆孔位于冒落帶之內(nèi),鉆孔將與冒落帶裂隙直接連通,在抽采負(fù)壓作用下大量空氣進(jìn)入鉆孔,無(wú)法實(shí)現(xiàn)鄰近層瓦斯高效抽采。因此,必須結(jié)合太岳煤礦的實(shí)際情況對(duì)其冒落帶高度進(jìn)行確定。在對(duì)太岳煤礦2號(hào)煤層冒落帶高度進(jìn)行確定時(shí),采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。

        (1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。根據(jù)太岳煤礦工作面布置情況,采用“返液計(jì)量法”對(duì)冒落帶高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

        具體測(cè)定方法為:在工作面回風(fēng)巷向切眼斜后方施工不同傾角的鉆孔,鉆孔施工為濕式鉆進(jìn)。若鉆孔穿過(guò)冒落帶或終孔點(diǎn)位于冒落帶內(nèi),則鉆孔內(nèi)大量鉆液將直接流入冒落帶內(nèi),造成鉆孔返漿很少或不返漿;若鉆孔位于裂隙帶內(nèi),則鉆孔返漿有所減少,但減少量并不大;若鉆孔返漿未減少,則說(shuō)明鉆液終孔位置沒(méi)有大量裂隙,則可判斷該位置為彎曲下沉帶。這種方法稱(chēng)之為“返液計(jì)量法”冒落帶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法。

        采用這種方法,對(duì)太岳煤礦2號(hào)煤層采后的冒落帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,確立了其冒落帶高度約為7.5~12.4m左右。

        (2)經(jīng)驗(yàn)分析。借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)“三帶”高度的相關(guān)研究成果可知,一般情況下,冒落帶為采高的3~6倍不等。根據(jù)太岳煤礦頂板的巖性及巖性組合特性,結(jié)合我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以確定太岳煤礦冒落帶高度約為6.6~13.2m左右。

        從以上研究成果可以看出,太岳煤礦2號(hào)煤層冒落帶的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)總體非常接近。因此,確定冒落帶的高度為12.4m。

        2. 高位鉆孔布孔參數(shù)研究

        為了高效抽采鄰近層及采空區(qū)瓦斯,高位鉆孔終孔位置需位于裂隙帶的中上部,并內(nèi)錯(cuò)工作面一定距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近層涌出瓦斯的有效攔截和采空區(qū)瓦斯的高效抽采。為此,需要對(duì)高位鉆孔垂向高度、內(nèi)錯(cuò)距離等合理布置參數(shù)進(jìn)行研究。

        (1)合理垂向高度的確定。通過(guò)確定裂隙帶高度范圍,確定了高位鉆孔垂向合理高度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,煤層頂板不同巖性及巖性組合條件下,裂隙帶高度為:

        其中:H裂——裂隙帶高度,m;

        N——系數(shù),堅(jiān)硬巖層n=30,中硬巖層n=20,較軟巖層n=10;

        M——開(kāi)采層采高。

        結(jié)合太岳煤礦1、2號(hào)煤層間的巖性組合較軟的特性,可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算裂隙帶的高度約為17.5~25m左右,因此,確定高位鉆孔終孔位置的合理垂高為17.5~25m左右。

        (2)合理內(nèi)錯(cuò)距離的確定。由于CH4的密度比空氣小,采空區(qū)及鄰近層涌出的瓦斯在瓦斯上浮效應(yīng)及抽采負(fù)壓的綜合作用下,會(huì)涌向采空區(qū)上部、回風(fēng)巷及工作面上隅角。為有效攔截鄰近層瓦斯及采空區(qū)瓦斯,防止大量瓦斯涌向回風(fēng)巷和工作面上隅角,需將高位鉆孔內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷一定距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近層及采空區(qū)涌出瓦斯的高效抽采。

        太岳煤礦2號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度一般為200m左右,根據(jù)采空區(qū)巖石冒落特性及工作面長(zhǎng)度,借鑒我國(guó)高位鉆孔瓦斯抽采的相關(guān)理論研究成果,結(jié)合冒落帶高度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù),確定將高位鉆孔內(nèi)錯(cuò)距離控制在距回風(fēng)巷50m范圍內(nèi),可實(shí)現(xiàn)高位鉆孔的高效瓦斯抽采。

        3. 高位鉆孔合理封孔技術(shù)研究

        受地質(zhì)構(gòu)造及卸壓作用影響,煤層頂板巖層會(huì)發(fā)生不同程度的破壞,造成大量裂隙的生成和發(fā)育,導(dǎo)致封孔難度增大,從而造成鉆孔漏氣,使得瓦斯抽采效果大打折扣。因此,必須針對(duì)太岳煤礦的巖層條件提出有針對(duì)性的封孔技術(shù)。

        按照煤巖體蠕變效應(yīng),要想達(dá)到理想的封孔效果,封孔位置應(yīng)避開(kāi)巷道松動(dòng)圈范圍,進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。因此,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中,封孔深度由原來(lái)的孔口開(kāi)始封孔、封孔深度8m改為自孔口向里6m開(kāi)始封孔、封孔深度6m,從而使始封深度進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū),封孔效果得到大幅提高。為了避免聚氨酯封孔抗壓效果差易漏氣、水泥砂漿封孔存在封孔“水縫”的弊端,封孔工藝由原來(lái)聚氨酯封孔改為“兩堵一注”封孔,縮短了封孔長(zhǎng)度,在一定程度上降低了封孔費(fèi)用,并大幅提高了封孔效果,有效提高了抽采效果。

        三、高鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用及效果

        1. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

        根據(jù)以上理論研究成果,在太岳煤礦2204工作面進(jìn)行了高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。鉆場(chǎng)開(kāi)設(shè)在2204工作面回風(fēng)順槽,高位鉆場(chǎng)每隔30~40m布置一個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)布置10~12個(gè)鉆孔,每個(gè)鉆場(chǎng)分高低位布置2小組,小組間距15~20m,下一組鉆場(chǎng)在前一組鉆場(chǎng)1號(hào)鉆孔后30~40m位置施工。高位鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示,鉆孔參數(shù)如表1所示。

        圖1 2204回風(fēng)巷高位鉆孔布置圖

        表1 2204回風(fēng)巷高位鉆孔施工參數(shù)

        2. 效果考察

        對(duì)比鄰近層高位鉆孔抽采期間及停抽期間(鉆孔停抽在制定現(xiàn)場(chǎng)安全技術(shù)措施后執(zhí)行)工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流等地點(diǎn)瓦斯?jié)舛?,停抽?0分鐘觀(guān)測(cè),數(shù)據(jù)變化明顯,充分證明鄰近層抽放達(dá)到了預(yù)期效果。2204工作面抽采前后瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表2所示。

        表2 2204工作面實(shí)施高位鉆孔抽采前后瓦斯?jié)舛葘?duì)比表

        從表2可以看出,通過(guò)實(shí)施高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù),對(duì)瓦斯抽采效率大幅提高,有效解決了工作面回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕?、甚至超限的?wèn)題,達(dá)到了對(duì)鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的,確保了工作面的安全高效開(kāi)采。

        四、結(jié)論

        通過(guò)在太岳煤礦實(shí)施高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究,取得以下結(jié)論:

        1.采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析相結(jié)合的方法,確定了冒落帶的高度為12.4m左右,并由此確定了高位鉆孔的合理終孔位置等布孔參數(shù),即高位鉆孔合理垂向高度為17.5~25m左右,合理內(nèi)錯(cuò)距離為50m左右,從而減少了鉆孔施工的盲目性,提高了鉆孔利用率。

        2.確立的適用于太岳煤礦的封孔工藝為“兩堵一注”,重新確定了封孔深度和封孔長(zhǎng)度,有效減少了封孔長(zhǎng)度,降低了封孔費(fèi)用,提升了封孔水平和瓦斯抽采效果。

        3.將研究確定的高位鉆孔合理布孔參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),在太岳煤礦2204工作面對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察。通過(guò)考察發(fā)現(xiàn),高位鉆孔的應(yīng)用,有效解決了工作面回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕摺⑸踔脸薜膯?wèn)題,達(dá)到了對(duì)鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的,確保了工作面的安全高效開(kāi)采。

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