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        煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合規(guī)律

        2021-06-07 06:20:00王憲光張基名
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年14期

        王憲光,張基名

        (鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司大興煤礦,遼寧 鐵嶺112701)

        對(duì)于煤層預(yù)抽,煤層瓦斯“吃干榨凈”是理想化的一種趨向,原始巖體在采動(dòng)卸壓應(yīng)力范圍內(nèi)裂隙發(fā)育,附著的甲烷分子變成游離狀態(tài),一部分被風(fēng)流帶入回風(fēng)流中,一部分通過裂隙匯源到采空區(qū),一部分被鉆孔抽采,因此形成了開采煤層瓦斯分源流動(dòng)的多種通道。對(duì)于鄰近層瓦斯,相對(duì)多的量進(jìn)入了采空區(qū)。

        通過觀測大興煤礦北二708回采區(qū)域預(yù)抽鉆孔和南五708兩個(gè)工作面頂板瓦斯道煤層卸壓鉆孔,在回采前煤層瓦斯預(yù)抽效果和回采期間煤層卸壓瓦斯抽采效果,分析相同的鉆孔在采、掘不同時(shí)期煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合規(guī)律。

        1 工作面基本情況

        1.1 北二708工作面

        北二708工作面位于大興煤礦北二采區(qū)西南部,7-2煤層,煤層厚度在5.40~7.50m之間,一般為6.34m。局部發(fā)育7-2-2煤層,一般煤厚為0.94m。煤層呈黑色,玻璃光澤,條帶結(jié)構(gòu)。本區(qū)域7-2煤層瓦斯壓力為4.1MPa,煤層原始瓦斯含量為12.33m3/t。煤層自然發(fā)火期1~3個(gè)月,煤塵爆炸指數(shù)為43.83%。

        北二708工作面面寬155m,走向長度387m。該工作面從2017年11月16日開采,2018年4月27日停采。

        1.2 南五708工作面

        南五708工作面位于大興煤礦南五采區(qū)西南部,7-2煤層,煤層厚度在3.40~5.60m之間,一般為4.55m。煤層呈黑色,玻璃光澤,條帶結(jié)構(gòu)。本區(qū)域7-2煤層瓦斯壓力為1.67MPa,煤層原始瓦斯含量為9.65m3/t。煤層自然發(fā)火期1~3個(gè)月,煤塵爆炸指數(shù)為43.39%。

        南五708工作面大面面寬160m,小面面寬105m,走向長度512m。該工作面從2013年11月12日開采,2014年3月31日停采。

        2 兩個(gè)工作面預(yù)抽鉆孔施工情況

        2.1 北二708工作面

        回采前,對(duì)工作面回采區(qū)域?qū)嵤┟芗槍鱼@孔超前預(yù)抽交叉布孔技術(shù)。

        鉆場內(nèi)順層預(yù)抽鉆孔在運(yùn)回順鉆場內(nèi)扇形布置,孔底間距5m,孔徑94mm,如圖1所示。

        巷道內(nèi)順層預(yù)抽鉆孔在運(yùn)回順及切眼的巷內(nèi)布置,垂直巷道指向回采區(qū)域施工,孔間距3m,孔徑94mm,如圖2所示。

        2.2 南五708工作面

        南五708工作面未采取順層預(yù)抽技術(shù),而是在南五708頂板瓦斯道向7-2煤層施工了24個(gè)煤層卸壓鉆孔。如圖3所示。

        南五708頂板瓦斯道的24個(gè)煤層卸壓鉆孔施工后,頂板瓦斯道全段一次性封閉,偶數(shù)鉆孔用抗靜電膠管引出頂板瓦斯道,奇數(shù)鉆孔孔口敞開。

        3 煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合規(guī)律

        分析煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合規(guī)律,可以從鉆孔承受采動(dòng)壓力變化,瓦斯抽采量、抽采時(shí)間長短以及鉆孔與工作面位置關(guān)系兩個(gè)方面考量。

        圖1 北二708工作面鉆場內(nèi)順層預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)施工圖

        圖2 北二708工作面巷道內(nèi)順層預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)施工圖

        圖3 南五708頂板瓦斯道穿層鉆孔施工圖

        3.1 煤層承受采動(dòng)壓力變化規(guī)律

        采掘活動(dòng)在煤層和頂?shù)装逯幸鸶鞣N形式的礦山壓力顯現(xiàn),支承壓力表現(xiàn)為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)四個(gè)區(qū)段,如圖4所示。在應(yīng)力增高區(qū)煤層裂隙發(fā)育,在原巖應(yīng)力區(qū)煤層裂隙不發(fā)育,在應(yīng)力降低區(qū)頂?shù)装鍑鷰r裂隙完全發(fā)育,在穩(wěn)壓區(qū)頂?shù)装鍑鷰r裂隙發(fā)育停止。

        從北二708工作面實(shí)際觀測分析,距采煤工作面5~150m區(qū)域?yàn)閼?yīng)力增高區(qū),距采煤工作面150m為原巖應(yīng)力區(qū),距采煤工作面5m至采空區(qū)深部35~80m為應(yīng)力降低區(qū),采空區(qū)深部80m至切眼為穩(wěn)壓區(qū)。

        3.2 瓦斯抽采量、抽采時(shí)間長短以及鉆孔與工作面位置關(guān)系的變化規(guī)律

        3.2.1 具有煤層預(yù)抽和卸壓瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采變化規(guī)律分析

        北二708工作面的煤層回采區(qū)域預(yù)抽鉆孔,經(jīng)歷了掘、備、采三個(gè)時(shí)期。煤層回采區(qū)域預(yù)抽鉆孔在掘進(jìn)和備采期間預(yù)抽突出煤層瓦斯,起到了消除回采區(qū)域煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)和兼顧瓦斯抽采達(dá)標(biāo)的雙重作用?;夭善陂g,在工作面的卸壓范圍內(nèi)同一鉆孔發(fā)揮著抽采煤層卸壓瓦斯的作用,在工作面的未卸壓區(qū)域持續(xù)預(yù)抽煤層瓦斯。預(yù)抽鉆孔在應(yīng)力增高區(qū)、應(yīng)力耦合時(shí)期煤層裂隙普遍發(fā)育,煤層附著的甲烷分子一部分變成游離狀態(tài),該時(shí)期認(rèn)為是煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合時(shí)期,該現(xiàn)象認(rèn)為是煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合現(xiàn)象。

        北二708工作面的煤層回采區(qū)域預(yù)抽鉆孔從施工預(yù)抽開始,到采煤機(jī)切割鉆孔,最長抽采時(shí)間達(dá)480天。每個(gè)回采區(qū)域預(yù)抽鉆孔瓦斯抽采經(jīng)歷了預(yù)抽變化區(qū)、預(yù)抽穩(wěn)定區(qū)和卸壓抽采區(qū)。如圖5所示。

        圖4 工作面前后支承壓力分布圖

        圖5 具有煤層預(yù)抽和卸壓瓦斯抽采的鉆孔在抽采瓦斯方面的變化曲線

        在鉆孔連抽開始的8~10天內(nèi)鉆孔處在預(yù)抽瓦斯?jié)舛茸兓瘏^(qū),鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛仍?%~20%之間,平均瓦斯?jié)舛葹?0%。鉆孔預(yù)抽穩(wěn)定區(qū)是在鉆孔預(yù)抽10天以后,到鉆孔與采煤工作面距離100~150m的范圍內(nèi),鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛仍?%~3%之間,平均瓦斯?jié)舛葹?%。鉆孔卸壓抽采區(qū)是在鉆孔距采煤工作面100~150m到鉆孔被采煤機(jī)切割的范圍內(nèi),鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛仍?%~30%之間,平均瓦斯?jié)舛葹?0%。

        3.2.2 僅有卸壓瓦斯抽采鉆孔的瓦斯抽采變化規(guī)律分析

        南五708工作面的頂板瓦斯道卸壓鉆孔,抽采時(shí)間為63天,僅僅經(jīng)歷了采煤時(shí)期的卸壓抽采區(qū)。如圖6所示。

        圖6 卸壓鉆孔在抽采瓦斯方面的變化曲線

        從觀測的數(shù)據(jù)來看,南五708頂板瓦斯道的煤層卸壓鉆孔在距采煤工作面20~30m位置開始抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚沽恐饾u提高,進(jìn)入采空區(qū)25~40m位置瓦斯抽采效果達(dá)到最佳,進(jìn)入采空區(qū)50m以后瓦斯抽采效果遞減。實(shí)測單孔瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)85%,12個(gè)鉆孔瓦斯流量最大達(dá)18.75m3/min,單孔平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)55%,12個(gè)鉆孔平均瓦斯流量13.89m3/min。

        從鉆孔瓦斯觀測的數(shù)據(jù)和工作面前后支撐壓力分布曲線可以看出,鉆孔的預(yù)抽瓦斯變量和卸壓瓦斯抽采變量與工作面前后支撐壓力相耦合,在預(yù)抽初期和卸壓瓦斯抽采期應(yīng)增加提高鉆孔的抽采負(fù)壓,使煤層瓦斯抽采發(fā)揮最大作用。

        預(yù)抽鉆孔在終孔后應(yīng)立即連抽,保證孔口負(fù)壓在13KPa以上,負(fù)壓維持時(shí)間在連續(xù)抽采10天左右為最佳,使預(yù)抽變化區(qū)能抽盡抽。之后鉆孔減低負(fù)壓維持抽采,負(fù)壓值可控制在2~5KPa,使預(yù)抽穩(wěn)定區(qū)低負(fù)壓長久抽采,新完工的鉆孔抽采能力得到保證。在鉆孔距采煤工作面50m提高孔口負(fù)壓,負(fù)壓值可控制在10~13KPa,使卸壓抽采區(qū)的鉆孔達(dá)到最佳抽采效果,減低煤壁瓦斯和落煤瓦斯。

        4 結(jié)束語

        煤層預(yù)抽初期和卸壓抽采期是鉆孔瓦斯抽采效果提升的關(guān)鍵時(shí)期,應(yīng)加強(qiáng)抽采系統(tǒng)的管理,提高抽采能力。掌握煤層預(yù)抽與卸壓瓦斯耦合規(guī)律,便于較為精確的生產(chǎn)管理,不錯(cuò)過最佳抽采時(shí)期。

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