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        頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采技術在孟津煤礦三軟突出煤層中的研究與應用

        2022-04-09 05:42:14
        現(xiàn)代礦業(yè) 2022年3期
        關鍵詞:終孔鉆場高位

        王 迪

        (河南能源孟津煤礦有限責任公司)

        在煤礦采煤工作面回采過程中,由于受到采動影響,采空區(qū)上覆巖層容易出現(xiàn)變形,形成大量微小裂隙[1],這些裂隙在不斷擴張,貫通后成為瓦斯運移的通道,臨近層的瓦斯通過這些裂隙不斷向采空區(qū)涌出,導致采空區(qū)內的瓦斯?jié)舛染痈卟幌?,嚴重制約了礦井高產高效發(fā)展[2]。針對這種情況,國內外學者采用在采煤工作面布置頂板走向高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽放[3]。通過實踐,頂板走向鉆孔終孔位置精準,抽采有效期長以及抽采濃度高,成為了目前治理采空區(qū)瓦斯最有效的技術之一[4]。

        孟津煤礦所處井田位于河南省洛陽市孟津縣境內,屬于典型的豫西三軟突出煤層[5]。礦井主采二1煤層,煤層原始瓦斯最大含量為16.37 m3/t,瓦斯壓力最大值為3.1 MPa,災害治理工程量較大。孟津煤礦11010 工作面在回采過程中,由于采空區(qū)上覆巖層受到采動影響,出現(xiàn)裂隙,臨近煤層大量瓦斯通過裂隙進入到采空區(qū)內[6],造成采空區(qū)內瓦斯始終處于高濃度狀態(tài),嚴重影響了工作面的推進速度,制約了礦井的高產高效發(fā)展[7]。為解決采空區(qū)內瓦斯聚集的問題,孟津煤礦在采煤工作面回風順槽布置頂板走向高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽采,以解決采空區(qū)瓦斯聚集的問題[8-9]。

        1 11010工作面概況

        孟津煤礦11010 工作面位于礦井副井東北側,開采二1煤層,煤層厚度3.02 m,北側為原11011采空區(qū)保護煤柱,南側位于工業(yè)廣場保護煤柱范圍內,西側為采區(qū)實煤體,東鄰11030 工作面,上部賦存二2 煤層未開采。工作面原始瓦斯含量為7.62~8.95 m3/t,原始瓦斯壓力為0~1.5 MPa,瓦斯放散初速度ΔP在10.5~24.0 mL/s。

        2 頂板走向高位鉆孔設計

        根據(jù)工作面實際,在工作面回風順槽距工作面60 和105 m 位置分別施工1 個高位鉆場。高位鉆孔設計如下。

        11010 工作面軌道順槽1#鉆場距離切眼60 m,鉆場內共設計2排6個高位鉆孔,其中1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上30 m,2#、4#、6#鉆孔控制煤層頂板以上20 m。鉆孔參數(shù)見表1。

        11010 工作面軌道順槽2#鉆場距離1#鉆場45 m,鉆場內共設計2排6個高位鉆孔,其中1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上40 m,2#、4#、6#鉆孔控制煤層頂板以上30 m。鉆孔參數(shù)見表2。

        3 頂板走向高位鉆孔的施工情況及抽采分析

        3.1 1#鉆場的施工情況

        11010 工作面軌道順槽1#鉆場嚴格按照設計施工到位并進行封孔連管帶抽。鉆孔施工完畢后繪制鉆孔竣工圖,見圖1。

        3.2 1#鉆場高位鉆孔抽采濃度分析

        定期測量1#鉆場的1#~6#高位鉆孔濃度,記錄工作面推進距離與各孔瓦斯抽采濃度等情況。11010工作面1#鉆場單孔抽采濃度變化曲線見圖2。

        結合圖1、圖2 可以看出:1#鉆孔始抽濃度為2.7%,平均抽采濃度為8.29%,在工作面回采到31.6~37.4 m 位置(距離煤層頂板14.2~17.7 m)時,抽采濃度為20%~50%,回采到43.4 m 位置抽采濃度降低為2.4%;2#鉆孔始抽濃度為0.4%,平均抽采濃度為1.5%;3#鉆孔始抽濃度為7.3%,平均抽采濃度為14.44%,終孔點距離巷幫22.1 m,在工作面回采到22~43.4 m位置(距離煤層頂板9.7~21.5 m)時,抽采濃度為15%~60%,回采到47.1 m 位置抽采濃度降低為1.6%;4#鉆孔始抽濃度為15%,平均抽采濃度為6.41%,終孔點距離巷幫20.7 m;5#鉆孔始抽濃度為4.6%,平均抽采濃度為19.63%,在工作面回采到26.2~37.4 m 位置(距離煤層頂板11.3~16.7 m)時,抽采濃度為41%~82%,回采到47.1 m 位置抽采濃度降低為0.7%;6#鉆孔始抽濃度為31%,平均抽采濃度為15.85%,終孔點距離巷幫39.5 m,在工作面回采到0~13.9 m位置(距離煤層頂板11.3~13.5 m)時,抽采濃度為28%~51%,回采到31.6 m 位置抽采濃度降低為0.6%。

        (1)通過1#鉆場高位鉆孔竣工圖發(fā)現(xiàn),所施工的6 個高位鉆孔中,1#、3#、5#鉆孔終孔位于煤層頂板30~31 m 處,2#、4#、6#鉆孔終孔位于煤層頂板19~20 m 處。1#、2#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距5 m 左右,3#、4#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距為21 m 左右,5#、6#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距為40 m左右。

        (2)11010 工作面7 月12 日初次來壓(回采21 m),此時1#、3#、5#鉆孔抽采濃度均呈上升趨勢,回采到22~37.4 m,1#鉆孔抽采濃度由0.5%提升至50%(距離煤層頂板14.2~17.7 m),3#鉆孔抽采濃度由2.5%提升至32%(距離煤層頂板16.2~21.5 m),5#鉆孔抽采濃度由0.8% 提升至82%(距離煤層頂板11.3~16.7 m)。2#、4#抽采濃度則相對較為平穩(wěn),6#鉆孔則呈平穩(wěn)下降趨勢。

        (3)2#鉆孔平均瓦斯抽采濃度1.5%,4#鉆孔平均瓦斯抽采濃度6.41%,6#鉆孔平均瓦斯抽采濃度15.85%,說明隨著采空區(qū)頂板冒落,應力傳導下,2#、4#、6#鉆孔處裂隙初步發(fā)育;距軌道順槽最近的2#孔濃度最低,距軌道順槽最遠的6#孔濃度最高,正好說明了頂板冒落的順序是從工作面中部開始向兩側發(fā)展的。

        (4)1#鉆場高位鉆孔控制范圍煤厚5 m 左右,結合竣工圖中鉆孔位置以及我國冒落帶總結經驗公式[5](3~4 倍采高)推斷:2#、4#、6#鉆孔終孔未進入裂隙帶,鉆孔終孔處在冒落帶中上部,難以抽出高濃度瓦斯。頂板裂隙帶高度:中硬巖石H=20×∑M0.5+10(式中,H為裂隙帶高度,m;∑M0.5為累計采厚,m),較軟巖石H=10×∑M0.5+5,裂隙帶高度在27.4~54.8 m,實際施工與之基本吻合。瓦斯抽采濃度較高區(qū)域為采高5~7 倍,則27~40 m(采高5~7 倍)應為裂隙帶高度。

        3.3 2#鉆場的施工情況

        11010 工作面軌道順槽2#鉆場嚴格按照設計施工到位并進行封孔連管帶抽。鉆孔施工完畢后繪制鉆孔竣工圖,見圖3。

        3.4 2#鉆場高位鉆孔抽采濃度分析

        2#鉆場的1#~6#高位鉆孔定期測量每個高位孔濃度,記錄工作面推進距離與各孔瓦斯抽采濃度等情況。11010 工作面2#鉆場高位孔竣工圖及單孔抽采濃度變化曲線見圖4。

        通過圖3 及圖4 可以看出:1#鉆孔始抽濃度為0.9%,平均抽采濃度為0.74%,終孔點距離巷幫5.5 m。2#鉆孔始抽濃度為1.3%,平均抽采濃度為21.24%,終孔點距離巷幫5.5 m,在工作面回采到58.4~64.3 m 位置(距離煤層頂板15~18 m)時,抽采濃度為43%~55%,回采到68 m 位置抽采濃度降低為1.6%。3#鉆孔始抽濃度為6.7%,平均抽采濃度11.18%,終孔點距離巷幫20.5 m,在工作面回采到68 m 位置(距離煤層頂板32.1 m)時,抽采濃度為48%。4#鉆孔始抽濃度14%,平均抽采濃度39.4%,終孔點距離巷幫20.5 m,在工作面回采到52.5~68 m 位置(距離煤層頂板13.8~23.2 m)時,抽采濃度為30%~67%。5#孔始抽濃度1.2%,平均抽采濃度5.06%,瓦斯抽采濃度較小,且起伏變化不大,終孔點距離巷幫35.7 m。6#孔始抽濃度1.2%,平均抽采濃度2.26%,瓦斯抽采濃度較小,且起伏變化不大,終孔點距離巷幫35.5 m。

        (1)通過2#鉆場高位鉆孔竣工圖發(fā)現(xiàn),所施工的6 個高位鉆孔中,1#、3#、5#鉆孔終孔位于煤層頂板40~41 m 處,2#、4#、6#鉆孔終孔位于煤層頂板29~31 m 處。1#、2#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距5.5 m 左右,3#、4#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距為20.5 m左右,5#、6#鉆孔終孔點與軌道順槽巷幫平距為35.5 m左右。

        (2)11010 工作面7 月31 日周期來壓(回采52.5 m),此時2#、4#鉆孔抽采濃度均呈上升趨勢,回采到52.5~68 m,2#鉆孔抽采濃度由5.3%提升至55%(距離煤層頂板15~20.3 m),4#鉆孔抽采濃度由30%提升至67%(距離煤層頂板13.8~21 m),頂板來壓使得裂隙貫穿,造成瓦斯抽采濃度提高。1#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采濃度較小,起伏變化不大,3#鉆孔在回采至68 m時,抽采濃度由0.6%提升至48%。

        (3)通過竣工圖及鉆孔抽采變化曲線發(fā)現(xiàn)1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上40 m 位置時,抽采效果相對較差,2#、4#鉆孔控制煤層頂板以上30 m 位置時,則抽采效果較好。結合1#鉆場竣工圖及抽采濃度變化曲線可以看出,該礦裂隙帶高度為27~35 m(采高5~6倍)抽采效果較好。

        4 結 論

        (1)1#鉆場1#、3#、5#高位鉆孔控制煤層頂板以上30 m 時抽采效果較好,2#鉆場2#、4#、6#高位鉆孔控制煤層頂板以上30 m 時抽采效果較好,通過1#、2#鉆場抽采情況結合裂隙帶經驗公式,孟津煤礦裂隙帶高度應在27~35 m(采高5~6 倍)。因此,后續(xù)施工高位鉆孔時,可將鉆孔終孔點布置在距煤層頂板25 和35 m處,進一步確定采空區(qū)瓦斯“三帶”高度。

        (2)11010 工作面在經過頂板走向高位鉆孔的施工后,工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆抵?.22%~0.32%,有效降低了采空區(qū)瓦斯對工作面推進的影響。

        (3)1#鉆場2#鉆孔平均瓦斯抽采濃度1.5%,4#鉆孔平均瓦斯抽采濃度6.41%,6#鉆孔平均瓦斯抽采濃度15.85%,說明隨著采空區(qū)頂板冒落,應力傳導下,2#、4#、6#鉆孔處裂隙發(fā)育;距軌道順槽最近的2#孔濃度最低,距軌道順槽最遠的6#孔濃度最高,正好說明了頂板冒落的順序是從工作面中部開始向兩側發(fā)展的。

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