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]。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。