(平煤股份勘探工程處,河南 平頂山 467000)
在煤礦開采的過程中,瓦斯是其最大的自然災(zāi)害之一,隨著開采作業(yè)越來越深入,井下瓦斯涌出量也不斷增加。目前,大部分礦井都采用了綜采放頂煤開采,采空區(qū)會出現(xiàn)大量的瓦斯,對開采作業(yè)的安全性造成了較大的威脅,因此如何對瓦斯涌出進行有效的治理是避免上隅角瓦斯超標(biāo)的關(guān)鍵。目前,采空區(qū)開展抽采作業(yè)所采用的方法主要有地面井抽采、高位定向長鉆孔抽采等等。在這些方法中,高位定向長鉆孔具有較多的優(yōu)勢,如較大的覆蓋面積、較高的瓦斯?jié)舛?、較大的流量等,并且施工較為迅速,鉆場布置較為靈活,縮短了施工時間,降低了巷道的任務(wù)量等等。目前,該方法已逐漸成為瓦斯治理的核心技術(shù),可以將回風(fēng)巷及上隅角中出現(xiàn)的瓦斯超限問題進行有效的處理。本文通過對這種抽采技術(shù)的工作原理進行分析,運用FLAC3D數(shù)值模擬的方法,明確裂隙帶的發(fā)育高度及各個施工參數(shù),并對該技術(shù)的應(yīng)用效果進行詳細(xì)分析。
2201綜采作業(yè)面主要以開采3號煤層為主,該煤層的構(gòu)造較為復(fù)雜,賦存較為可靠,其厚度大約為6.2 m,直接頂?shù)臉?gòu)成主要為泥巖及砂質(zhì)泥巖,與直接頂相比,老頂?shù)臉?gòu)成則多了一個粉砂巖,直接底的構(gòu)成為細(xì)粒砂巖和粉砂巖。將該作業(yè)面走向及傾向的長度分別設(shè)計為1 100和180 m,采取綜合機械化采煤法及完全垮落法來治理頂板。采取“U”型全負(fù)壓形式來進行通風(fēng),作業(yè)面的瓦斯涌出量最大為45 m3/min,其中采空區(qū)出現(xiàn)了22 m3/min的瓦斯涌出量,在作業(yè)面中占據(jù)了49%,瓦斯出現(xiàn)了較大的涌出,在開采的過程中。上隅角中存在的瓦斯主要來自于采空區(qū),而由于受到大氣因素及作業(yè)面漏風(fēng)的共同影響,其經(jīng)常出現(xiàn)超標(biāo)問題,對礦井生產(chǎn)的安全性造成了極大影響。鑒于此,本文提出運用高位定向長鉆孔瓦斯抽采方法來治理作業(yè)面采空區(qū)的瓦斯?fàn)顩r,避免上隅角出現(xiàn)瓦斯超標(biāo)問題。
在實際開采的過程中,上覆巖層將會因采動區(qū)的影響而產(chǎn)生變形問題。在采空區(qū)的上端將會先后出現(xiàn)各種垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,其中在縱橫方向上裂隙帶發(fā)育分別出現(xiàn)了破斷和離層兩種裂隙。隨著作業(yè)面的深入開采,頂板的覆巖完全垮落之后,頂板巖層形成的裂隙將會被填實,而采空區(qū)周圍因煤壁的影響,使上、下方巖層仍然保持相應(yīng)的離層裂隙,從橫向方向上的采空區(qū)邊界逐漸向中間形成了支撐區(qū)、離層區(qū)等,在這兩個區(qū)域間形成了一種有效的采動裂隙發(fā)育區(qū),并且呈現(xiàn)出了閉合狀態(tài),這就是“O”形圈。根據(jù)相應(yīng)的研究可知,這不僅僅是確保瓦斯運行的主要渠道,而且是瓦斯匯集的關(guān)鍵區(qū)域。當(dāng)瓦斯的密度過低或采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)時,作業(yè)面因受到這兩個因素的共同影響,其上隅角周圍采空區(qū)的頂板裂隙中存在較多高濃度的瓦斯。這些瓦斯由于受到氣壓改變及通風(fēng)負(fù)壓的影響,常常會利用裂隙通道而進到采掘區(qū)內(nèi),使上隅角出現(xiàn)瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象。
在作業(yè)面回風(fēng)側(cè)的頂板巖層中,高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是根據(jù)走向進行施工的定向長鉆孔,將鉆孔設(shè)置在頂板的裂隙帶中,詳見圖1,確保鉆孔固定在“O”形圈內(nèi),在抽采負(fù)壓的影響下,裂隙帶存在的瓦斯將會在長鉆孔內(nèi)排出,轉(zhuǎn)變瓦斯的流場狀況,通過對裂隙帶內(nèi)的瓦斯進行截流,極大降低瓦斯的涌出量,變上隅角及回風(fēng)側(cè)出現(xiàn)瓦斯超限。與一般高位孔相對比,該鉆孔具有較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區(qū)域,可以持續(xù)進行區(qū)域化抽采,具有顯著的技術(shù)特征。
圖1 高位定向長鉆孔裂縫帶布置
為了設(shè)置有效的長鉆孔層位,利用FLAC3D模擬法來分析作業(yè)面中上覆巖層采動裂隙的呈現(xiàn)規(guī)律。選擇頂板出現(xiàn)位移變化的位置來當(dāng)作是裂隙的下限,而上限則選擇即將出現(xiàn)變形的巖層高度。通過對頂板裂隙帶在作業(yè)面掘進m時的發(fā)育狀況進行模擬可知,當(dāng)作業(yè)面掘進100m之后,上覆巖層的裂隙發(fā)育達(dá)到了較強的穩(wěn)定性,其最終高度設(shè)置為15~48 m之間。由于下層出現(xiàn)了發(fā)育程度最高的裂隙帶,因此鉆孔必須盡可能低的設(shè)置,過高將會因裂隙較小而影響到瓦斯的抽采,經(jīng)過綜合考慮可將該長鉆孔的層位設(shè)定為20~35 m。
在該作業(yè)面的回風(fēng)順槽中設(shè)置鉆場,其間距為400 m,相鄰鉆場的長鉆孔應(yīng)當(dāng)設(shè)置60 m的搭接距離,在每一個鉆場中分別設(shè)置6個頂板長鉆孔,其間距均為10 m,在先后經(jīng)過兩次的擴孔之后,可以將其直徑設(shè)置為300 m。將抽采的負(fù)壓設(shè)置為25 kPa,其鉆孔示意圖詳見圖2。
圖2 鉆孔布置
在回采作業(yè)開展的過程中,對該技術(shù)的各個參數(shù)進行持續(xù)的觀測,瓦斯的抽采量及濃度會隨著時間的變化而改變,由此可知,瓦斯抽采的純量及濃度分別為7.26~16.85 m3/min和28%~46%,兩者的平均值分別為11.26 m3/min和35%。根據(jù)抽采結(jié)果可知,瓦斯抽采的流量較為穩(wěn)定、時間較長及濃度較高,可以有效攔截到采空區(qū)的瓦斯,使作業(yè)面回風(fēng)巷及上隅角的瓦斯?jié)舛炔粩嘟档停谶M行回采作業(yè)時上隅角瓦斯應(yīng)當(dāng)維持在左右的濃度,上隅角沒有產(chǎn)生瓦斯超限現(xiàn)象,具有較好的抽采效果。
1)2201綜采作業(yè)面存在的瓦斯大多來源于采空區(qū),同時也是導(dǎo)致上隅角存在瓦斯的主要因素,高位定向長鉆孔具有較多的優(yōu)勢,如較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區(qū)域等,可以持續(xù)進行區(qū)域化抽采。
2)利用FLAC3D模擬法來取得本作業(yè)面中裂隙帶的發(fā)育高度,大約為15~48 m,為了使抽采作業(yè)得以順利進行,應(yīng)當(dāng)將長鉆孔的層位設(shè)定在20~35 m之間。
3)根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用的結(jié)果可知,這種抽采技術(shù)具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢,如流量較為穩(wěn)定、抽采率較高等,在開展回采作業(yè)時,上隅角應(yīng)當(dāng)維持0.5%的瓦斯?jié)舛?,并不存在超限問題,取得了較好的抽采效果,極大確保了煤礦生產(chǎn)的安全性。