張吉昌

(山西古縣蘭花寶欣煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 042405)

1 工程概況

蘭花寶欣煤業(yè)3207綜采工作面設(shè)計(jì)為一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)系統(tǒng),煤層平均厚2.06 m,普氏系數(shù)f=2.0,煤層瓦斯含量6.32～7.56 m3/t,煤層層理中等發(fā)育,工作面采用綜采開采工藝、全部垮落法管理頂板。3號煤層綜采工作面處于瓦斯帶內(nèi),煤層瓦斯含量呈現(xiàn)不規(guī)律、波動變化幅度大等特征,回采期間通過調(diào)整通風(fēng)量的方式來稀釋和排放瓦斯。由于采空區(qū)內(nèi)瓦斯通過裂隙向回采面和上隅角涌出,造成上隅角瓦斯超限,影響工作面的安全生產(chǎn)。因此,3207綜采工作面回采期間瓦斯治理的重點(diǎn)為防治上隅角瓦斯超限,為避免出現(xiàn)上隅角瓦斯頻繁超限的問題展開相關(guān)研究。

2 上隅角瓦斯防治技術(shù)分析

上隅角瓦斯超限的主要治理措施為埋管抽放、走向高抽巷抽放、走向高位鉆孔抽放[1]。采用頂板高抽巷施工工期長、成本高,影響采掘接替,且投入成本高,對于集約化礦井推廣性較差;同時高抽巷受頂板垮落結(jié)構(gòu)影響顯著,抽采效果不穩(wěn)定,因此不考慮采用該種工藝。頂板走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯是一種高效、經(jīng)濟(jì)的工藝,在3207工作面回采期間,若遇到后方采空區(qū)瓦斯涌入工作面或回風(fēng)巷,引起工作面上隅角和回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯上升至0.5%以上,用通風(fēng)方式無法有效解決的情況下,優(yōu)先考慮使用該方法解決回風(fēng)巷風(fēng)流和上隅角瓦斯超限。在使用高位鉆孔抽采采空區(qū)垮落帶、裂隙帶內(nèi)瓦斯仍然無法解決上隅角瓦斯超限的情況下,使用上隅角埋管抽放方式解決上隅角瓦斯。

3 工作面采場覆巖相關(guān)區(qū)帶劃分

3.1 豎三帶分布特征

煤層開采后,由于煤炭被開采運(yùn)出,形成一個空間,煤層的覆巖頂板在自身的重力作用隨著煤層工作面的推進(jìn),會產(chǎn)生垮落、斷裂、下沉,頂板覆巖首先發(fā)生斷層破裂,在重力的作用下裂隙越來越大,破壞了原有的平衡,導(dǎo)致覆巖的偽頂和老頂發(fā)生離層或垮落,受采動影響導(dǎo)致垮落的巖體填充采空區(qū),被壓實(shí),重新達(dá)到平衡。根據(jù)上覆巖層內(nèi)裂隙發(fā)育程度,至下而上分別為垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶[2],如圖1所示。

圖1 “三帶”示意

1) 垮落帶。垮落帶內(nèi)巖層垮落,呈破碎狀堆積在采空區(qū),孔隙率和滲透率成級數(shù)倍增加。區(qū)域內(nèi)巖層在局部(兩側(cè)臨近“砌體梁”結(jié)構(gòu)處、局部結(jié)構(gòu)支撐處)離層發(fā)育明顯,但是突變很大,不穩(wěn)定,區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛认鄬^低。根據(jù)上覆巖性的特征,煤層傾角以及采空區(qū)頂板管理方法等,按堅(jiān)硬巖層來計(jì)算3207工作面垮落帶高度[3]:

(1)

蘭花寶欣煤業(yè)3207工作面開采煤層厚度為2.06 m,根據(jù)公式得出垮落帶的高度范圍Hm=7.63～12.62 m,平均高度為10.13 m.

2) 斷裂帶。斷裂帶是采空區(qū)上方一定高度范圍內(nèi)的巖體發(fā)生冒落后,其上覆巖層將以梁或者懸臂梁的形式在層理面法線方向上發(fā)生比較大的彎曲和移動破壞,導(dǎo)致巖體內(nèi)部出現(xiàn)大量離層裂隙以及與巖層垂直或斜交的裂隙,通稱裂隙帶或者斷裂帶,該區(qū)煤巖層破斷后,不會大面積垮落,脫離上部巖層,而是以整齊劃區(qū)的方式排列在一起,巖塊之間還是一個整體,只是裂隙較原始巖層有大幅提高;裂隙帶內(nèi)巖層離層和穿層裂隙隨著周期來壓向上發(fā)育并相互貫通,形成瓦斯運(yùn)移及匯聚的裂隙網(wǎng)絡(luò)。3號煤層老頂主要以砂巖為主,根據(jù)巖石巖性等因素對裂隙帶高度的影響,可采用以下公式按堅(jiān)硬巖性計(jì)算裂隙帶Hl的高度。

(2)

計(jì)算得出裂隙帶的高度范圍Hl=37.16～54.96 m,平均高度為46.06 m.結(jié)合以上垮落帶高度可知裂隙帶平均高度應(yīng)該在10.13～46.06 m范圍內(nèi)。

3) 彎曲下沉帶。彎曲下沉帶位于裂隙帶之上,該部分巖層整體產(chǎn)生彎曲下沉,但其彎曲變形量較小,該部分巖體一般可以較好地保持其原有的完整性結(jié)構(gòu),不會產(chǎn)生相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò),區(qū)域內(nèi)沒能與采空區(qū)瓦斯通道連接,瓦斯抽采濃度較低。

3.2 橫三區(qū)特征及劃分

采用垮落法管理采空區(qū)頂板時,工作面回采一定距離后,采空區(qū)中部由垮落的破碎煤巖體充填完畢,在上覆巖層壓力作用下逐步壓實(shí),導(dǎo)致該部分煤巖體內(nèi)的裂隙閉合,在采空區(qū)中部區(qū)域形成“重新壓實(shí)區(qū)”,采空區(qū)四周邊界附近形成“O”型圈[4],如圖2所示,“O”型圈為瓦斯的解吸、運(yùn)移、賦存提供良好條件。

圖2 導(dǎo)氣裂隙帶“O”型圈

為了能與理論計(jì)算結(jié)果形成相互驗(yàn)證及更加精準(zhǔn)地判斷采空區(qū)“O”形圈寬度,采用FLAC3D計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件,對三維情況下3207工作面開采時上覆巖層破壞后所形成的“O”形圈分布情況進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖3所示。

圖3 三維數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)上述研究結(jié)果:高位定向鉆孔的布置層位在10.13～46.06 m范圍內(nèi),因此,選取工作面推進(jìn)至400 m時,沿X-O-Y平面對其20 m、30 m、40 m三個層位的位移圖進(jìn)行切片,結(jié)果如圖3所示,采空區(qū)中部下沉量達(dá)到2.06 m,表明該區(qū)域上覆巖層已與煤層底板接觸,形成重新壓實(shí)區(qū),采空區(qū)水平方向形成了“O”型圈?！癘”型圈在靠近工作面的平面上達(dá)到最大值,而隨著和煤層工作面垂直距離的增大,逐漸呈現(xiàn)減小的趨勢,這和煤巖體的卸壓角演化規(guī)律密切相關(guān)。同時,根據(jù)工作面不同推進(jìn)距離下各層位位移切片云圖,采空區(qū)覆巖跨落后所形成的“O”型圈裂隙帶的寬度大致在26～39 m之間。

4 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果分析

4.1 高位鉆孔方案設(shè)計(jì)

基于頂板高位抽采鉆孔的布置原理可知,抽采技術(shù)的應(yīng)用效果主要取決于鉆孔層位的合理布置,當(dāng)抽采鉆孔布置在頂板裂隙帶內(nèi)時,通過抽采負(fù)壓能夠?qū)崿F(xiàn)將裂隙帶內(nèi)高濃度瓦斯有效抽出的目的。根據(jù)以上“豎三帶”高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算,3207工作面裂隙帶最大發(fā)育高度10.13～46.06 m,頂板高位鉆孔理論計(jì)算的合理層位為距煤層頂板10.13～46.06 m之間。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,采空區(qū)覆巖跨落后所形成的“O”型圈裂隙帶的寬度大致在26～39 m之間,結(jié)蘭花梁煤礦的具體情況,高位鉆孔距離巷幫平距10～40 m之間較為合理。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,同時考慮試驗(yàn)不同層位鉆孔瓦斯抽采效果,對3207工作面1號鉆場的高位定向鉆孔的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),鉆場布置于工作面里程600 m處,鉆場內(nèi)設(shè)計(jì)施工5個高位鉆孔,層位為煤層頂板以上11～38 m,距回風(fēng)巷幫17～37 m,其中垮落帶布置1個鉆孔1-2號,裂隙帶布置4個鉆孔1-1號、1-3號、1-4號、1-5號,設(shè)計(jì)鉆孔孔徑153 mm,鉆孔長度234～348 m,如圖4所示。

圖4 1號鉆場各鉆孔布置平剖圖

4.2 高位鉆孔抽采效果分析

在理論研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,利用1號鉆場的定向鉆孔,觀測不同層位鉆孔在工作面回采過程瓦斯抽采流量及濃度的變化,從而確定采場裂隙帶高度和高位定向鉆孔的合理層位。1號鉆場服務(wù)期間,各高位定向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S時間變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 1號鉆場高位定向鉆孔瓦斯抽采效果

1號鉆場的1-2號、1-3號鉆孔在聯(lián)抽初期,單孔最大瓦斯抽采濃度分別達(dá)到了14%和45%,但隨著工作面推進(jìn),其抽采效果急劇下降到較低水平,單孔抽采濃度基本保持在0.2%～3%之間,單孔平均純量僅有0.02～0.30 m3/min,故分析這2個鉆孔終孔層位處于頂板垮落帶巖層內(nèi),鉆孔隨工作面推進(jìn)而隨垮落帶巖石垮斷,不適合布置高位定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采,頂板垮落帶最大高度在20 m左右,高位鉆孔垂直方向合理布置層位為20～40 m,水平布置位置為距巷道軸線15～40 m.1號鉆場5個鉆孔服務(wù)期間平均抽采濃度為5.43%,總的平均抽采純量為2.83 m3/min.高位鉆孔投入使用后,3207工作面上隅角瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.2%～0.4%之間,未出現(xiàn)超限情況,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

以蘭花寶欣煤業(yè)3207工作面為例,確定上隅角瓦斯防治以“高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔”的模式,數(shù)值模擬研究確定高位鉆孔水平方向應(yīng)布置在26～39 m范圍內(nèi),抽采效果良好,上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染∮?.5%,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全生產(chǎn)。