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        潘西煤礦多功能鉆孔防治災(zāi)害技術(shù)研究

        2022-04-22 07:42:52劉祖太
        山東煤炭科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:影響

        倪 萌 劉 峰 劉祖太

        (1.山東能源新礦集團(tuán)職工大學(xué),山東 濟(jì)南 271100;2.山東萬(wàn)祥礦業(yè)有限公司,山東 濟(jì)南 271100)

        潘西礦工作面最大采深已達(dá)1100 m,煤層地應(yīng)力大,局部煤層瓦斯涌出異常。工作面需進(jìn)行應(yīng)力卸壓、瓦斯抽放和注水降塵措施,鉆孔的施工數(shù)量多、工作量大,多種鉆孔之間相互影響較嚴(yán)重。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)力卸壓、瓦斯抽采、煤層注水降塵等三種防治技術(shù)有效結(jié)合的研究不夠系統(tǒng),防治技術(shù)的相關(guān)研究相對(duì)較少,鉆孔的優(yōu)化布置研究急需開(kāi)展[1-5]。

        1 工程概況

        6198工作面位于礦井-1100 m水平后六采區(qū),開(kāi)采19#煤層,平均煤厚2.6 m,平均煤層傾角27°,煤層走向95°~135°,煤層傾向5°~45°。掘進(jìn)期間共計(jì)揭露5處煤層異常區(qū),主要表現(xiàn)為:煤層受斷層影響局部缺失、變薄,煤層結(jié)構(gòu)受擠壓錯(cuò)動(dòng),煤層理不清,出現(xiàn)層間揉皺和滑動(dòng)鏡面;煤層頂?shù)装宄尸F(xiàn)協(xié)調(diào)或不協(xié)調(diào)褶皺、脆性或彈塑性斷裂,煤、巖層產(chǎn)狀變化大;煤層擠壓貫入頂?shù)装?,或頂?shù)装邋e(cuò)斷壓入煤層;煤層呈現(xiàn)破碎的粒狀、鱗片狀、粉末狀等現(xiàn)象。

        2 危險(xiǎn)區(qū)域劃分

        6198工作面所處地層為單斜構(gòu)造,埋深984.8~1 215.5 m。該工作面構(gòu)造以斷層為主,根據(jù)沖擊地壓宏觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,工作面沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)U=0.84,具有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

        3 多功能鉆孔參數(shù)研究

        3.1 應(yīng)力卸壓鉆孔參數(shù)研究

        根據(jù)潘西煤礦19#煤層賦存條件和6198工作面沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)建立數(shù)值模擬模型,模型四周邊界均固定水平位移,底端邊界固定垂直位移,頂端邊界施加均勻載荷。模型采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則,模擬煤巖層上覆巖層自重為32 MPa,側(cè)向壓力系數(shù)為1。其中,卸壓孔直徑為110 mm,孔間距為3 m,孔深為20 m。

        實(shí)施卸壓孔后,煤體應(yīng)力不均勻,鉆孔附近煤體由三向應(yīng)力變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài),強(qiáng)度低于圍巖應(yīng)力,在孔洞周邊出現(xiàn)屈服、剪切等現(xiàn)象而形成塑性區(qū)。塑性區(qū)為近似圓形的區(qū)域,分布在卸壓孔周?chē)?,塑性區(qū)直徑約390 mm,面積約0.12 m2。塑性區(qū)內(nèi)的煤體主要受到剪應(yīng)力作用,越靠近鉆孔的位置,變形破壞越嚴(yán)重,塑性區(qū)外的煤體由于遠(yuǎn)離鉆孔,受到鉆孔的影響較小,煤體變形較小,主要受到壓應(yīng)力作用。此次模擬的卸壓孔直徑為110 mm,塑性區(qū)直徑約為卸壓孔直徑的3.5倍。潘西煤礦鉆孔周?chē)苄詤^(qū)范圍較大的原因是該礦19#煤比較松軟,施工卸壓鉆孔之后容易形成塌孔,為周?chē)后w提供了卸壓擴(kuò)容空間。

        為定量分析鉆孔周?chē)簩討?yīng)力分布情況,提取鉆孔周?chē)孛簩幼呦驊?yīng)力曲線(xiàn),如圖1??梢钥闯鲈阢@孔附近應(yīng)力相較于原巖應(yīng)力明顯減小,每一個(gè)鉆孔附近應(yīng)力隨著距離的增大而逐漸增大,多個(gè)孔之間應(yīng)力出現(xiàn)了疊加。直徑為110 mm的卸壓孔單側(cè)顯著卸壓范圍為0.5 m,顯著影響范圍為1 m,該區(qū)域內(nèi)煤體應(yīng)力低于30 MPa,卸壓效果明顯;單側(cè)的卸壓范圍為1.5 m,卸壓孔最大影響范圍為3 m,如圖2。因此,潘西礦卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)布孔間距為1 m,一般危險(xiǎn)區(qū)布孔間距不應(yīng)超過(guò)3 m,結(jié)合煤礦沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn),在中度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔間距為2 m。

        圖1 煤層卸壓孔周?chē)鷳?yīng)力分布曲線(xiàn)

        圖2 單孔單側(cè)應(yīng)力分布曲線(xiàn)

        3.2 瓦斯抽采參數(shù)研究

        根據(jù)潘西煤礦煤層瓦斯含量較低的賦存特點(diǎn),選取SF6作為示蹤氣體,在6198工作面上巷采用實(shí)測(cè)法進(jìn)行抽采半徑的測(cè)試。為全面考察抽采半徑大小及煤層注水對(duì)煤層抽采半徑大小的影響,測(cè)試鉆場(chǎng)包含1個(gè)注氣孔、4個(gè)檢測(cè)孔,所有鉆孔均為順層鉆孔,孔深不小于30 m,鉆孔孔徑94 mm,鉆孔封孔深度12 m。

        經(jīng)過(guò)20多天的跟蹤檢測(cè),距注氣孔1.5 m的2#檢測(cè)孔在第3天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體,距注氣孔2 m的3#檢測(cè)孔在第6天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體,距注氣孔2.5 m的4#檢測(cè)孔在第7天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體,距注氣孔3 m的5#檢測(cè)孔在第10天檢測(cè)到了SF6示蹤氣體。

        在煤層賦存條件一定的情況下,鉆孔抽采瓦斯影響半徑r(m)與抽采時(shí)間t(d)之間符合冪函數(shù)關(guān)系,即:r=AtB(1)

        式中:r為抽采影響半徑,m;t為抽采時(shí)間,d;A、B為常數(shù)。

        鉆孔觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出潘西煤礦19#煤層在抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下的瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式:

        r=0.867t0.4054(2)

        根據(jù)該規(guī)律預(yù)測(cè)瓦斯抽采鉆孔孔徑為94 mm,孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m,連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m,連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m。

        3.3 煤層注水參數(shù)

        以潘西煤礦6198工作面煤層物理力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立鉆孔注水模型,注水孔直徑為82 mm,注水壓力為3 MPa,得到注水后的煤層孔隙水壓力分布云圖,如圖3。

        圖3 煤層注水孔周?chē)紫端畨毫Ψ植紙D

        注水之后,在煤層內(nèi)部形成了一個(gè)以注水孔為中心的滲流場(chǎng),煤層孔隙水壓力以注水孔為中心呈輻射狀分布,距離注水孔越近,孔隙水壓力越高,受注水的影響越大。此外,孔隙水壓力圖在走向上的影響范圍略大于垂直煤層的方向,這是由于煤層的各向異性造成的,表明煤層在走向上的滲透性高于垂直煤層方向。

        如圖4,注水孔兩側(cè)水壓呈指數(shù)降低,越靠近注水孔,降低速度越快,水壓力梯度越大。當(dāng)距離達(dá)到注水孔4 m處時(shí),水壓力降至0。因此,6198工作面注水影響半徑約4 m,注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周?chē)簩幼呦蛏? m以?xún)?nèi)區(qū)域。

        圖4 煤層注水孔周?chē)紫端畨毫Ψ植记€(xiàn)

        3.4 多功能鉆孔一體化技術(shù)

        6198工作面卸壓鉆孔直徑為110 mm,在高度危險(xiǎn)區(qū)域布孔間距應(yīng)為1 m,中度危險(xiǎn)區(qū)域卸壓孔間距為2 m,一般危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔的布孔間距不應(yīng)超過(guò)3 m。直徑94 mm的瓦斯抽采孔最大抽采半徑為2.8 m,最大布孔間距應(yīng)為5.6 m,超過(guò)卸壓孔布孔間距。注水孔直徑為82 mm、注水壓力為3 MPa時(shí),煤層注水影響半徑為4 m,因此,注水孔的最大布孔間距為8 m,也超過(guò)卸壓孔布孔間距。

        綜上所述,如表1所示,就直徑為110 mm的煤體卸壓孔而言,其鉆孔尺寸超過(guò)瓦斯抽采孔和注水孔,且布孔間距小于二者。因此,可以利用110 mm孔徑的卸壓孔進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水,卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果,多功能孔的實(shí)施是可行的。

        表1 不同類(lèi)型鉆孔的影響范圍與布孔間距對(duì)比

        4 多功能鉆孔效果研究

        結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,多功能鉆孔最重要的是滿(mǎn)足沖擊地壓防治的目的。通過(guò)選取6198工作面施工多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔區(qū)域,利用KJ21-Z沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析了多功能鉆孔與傳統(tǒng)鉆孔的卸壓效果。多功能孔施工前后,當(dāng)同時(shí)距離工作面120 m處時(shí),施工多功能鉆孔前,埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測(cè)探頭,礦壓監(jiān)測(cè)最大值穩(wěn)定在3.0~5 MPa之間;施工多功能鉆孔后,埋深8 m的5組礦壓監(jiān)測(cè)探頭當(dāng)距離工作面120 m時(shí),五組鉆孔中的4組礦壓監(jiān)測(cè)最大值穩(wěn)定在1.8~3 MPa之間,最大值降低明顯。

        多功能鉆孔布置前實(shí)測(cè)了煤層抽采影響半徑,得到了瓦斯抽采18 d以上時(shí),19#煤層的瓦斯抽采可影響2.5 m,6198工作面瓦斯抽采有效半徑2.8 m,多功能鉆孔布置的最大間距為5.6 m。同時(shí),對(duì)抽采鉆孔的瓦斯抽采流量、瓦斯抽采濃度進(jìn)行了跟蹤測(cè)量。根據(jù)跟蹤結(jié)果,鉆孔瓦斯抽采衰減速度快,瓦斯抽采第1天瓦斯抽采流量普遍可達(dá)0.7 m3/min以上,隨后瓦斯抽采量急劇降低,瓦斯抽采濃度低于10%以下。

        煤層注水降塵的效果則與煤的含水率指標(biāo)密切相關(guān),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,注水壓力為3 MPa時(shí)的注水影響半徑,得出了煤層最佳注水半徑約為4 m。因此,多功能鉆孔的布置間距可以滿(mǎn)足煤層注水影響半徑的需求,不會(huì)留下空白帶。

        5 結(jié)論

        (1)孔徑為110 mm的卸壓孔在高度危險(xiǎn)區(qū)、中度危險(xiǎn)區(qū)和一般危險(xiǎn)區(qū)的鉆孔間距為1 m、2 m、3 m,煤層卸壓孔的間距、孔徑滿(mǎn)足工作面超前卸壓的要求,同時(shí),卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果,多功能孔的實(shí)施是可行的。

        (2)抽放鉆孔直徑為94 mm的情況下瓦斯抽采時(shí)間與抽采半徑的關(guān)系式為:r= 0.867t0.4054,孔口負(fù)壓在不低于14 kPa的條件下連續(xù)抽采3 d影響半徑約為1.5 m,連續(xù)抽采6 d的影響半徑約為2 m,連續(xù)抽采18 d的影響半徑約為2.5 m,卸壓孔間距滿(mǎn)足瓦斯孔的要求。

        (3)煤層注水影響半徑約4 m,注水卸壓與防塵的有效范圍為注水孔周?chē)簩幼呦蛏? m以?xún)?nèi)的區(qū)域,多功能鉆孔的布置間距可以滿(mǎn)足煤層注水影響半徑的需求,不會(huì)留下空白帶。

        (4)采用110 mm孔徑的卸壓孔可以進(jìn)行瓦斯抽采和煤層注水,卸壓孔的鉆孔尺寸和孔間距均能滿(mǎn)足瓦斯抽采孔和注水孔的使用效果,降低了鉆孔施工成本,且效果顯著。

        (5)通過(guò)對(duì)6198工作面應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害治理方法研究與實(shí)踐,提出了深部沖擊地壓煤層開(kāi)采條件的災(zāi)害防治措施、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害綜合防治體系,為深部開(kāi)采應(yīng)力-瓦斯復(fù)合動(dòng)力災(zāi)害防治提供了切實(shí)可行的方案。

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