黄陵矿区二矿高位裂隙钻孔瓦斯抽采有效性分析

2010-09-09郝天轩姚春雨

中国煤炭 2010年3期

关键词：钻场高位裂隙

郝天轩姚春雨

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

★煤矿安全 ★

黄陵矿区二矿高位裂隙钻孔瓦斯抽采有效性分析

郝天轩姚春雨

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

阐述了采用高位钻孔瓦斯抽采的技术关键,确定了工作面上方的冒落带和裂隙带高度,并结合现场实测数据考察了钻孔的有效利用率和钻场间距合理性,结果表明:黄陵矿区二矿107工作面回风巷高位裂隙钻孔布置较合理,能够解决工作面瓦斯涌出量较大的问题,如果降低钻孔仰角,使钻孔的终孔位置位于冒落带之上、裂隙带的中下部,可以更有效抽采瓦斯。

高位裂隙钻孔瓦斯抽采钻场间距黄陵矿区

AbstractThis paper elaborates on the key technology used in gas extraction via high positioned drill holes.It also determines the height of caving zones and fissure zones over working faces and also probes the effective utilization ratio of drill holes and the rationality of drill field spacing according to the test data obtained on site.The results show that the arrangement of high positioned drill holes are rationalized in the fissire zones in the return air entry of#107 face, which can handle large gas inflow in coal faces.When the drill hole elevation angles are reduced to allow the ends of the drill holes to reach the location above caving zones and the middle-lower part of fissure zones,an even effective gas extraction can be realized.

Key wordshigh positioned drill hole in fissure zone,gas extraction,drilling site spacing, Huangling coal mining area

瓦斯抽采是解决瓦斯灾害的根本性措施。现阶段,高位裂隙钻孔瓦斯抽采技术是治理工作面瓦斯的重要技术措施,如何保证这一技术既能达到灾害防治的目的又能实现工作面高效生产并进一步有效利用瓦斯成为生产当中亟待解决的问题。

1 高位裂隙钻孔抽采技术关键

高位裂隙钻孔是布置在工作面顶板上方裂隙带中用于抽采工作面瓦斯的钻孔。高位裂隙钻孔抽采瓦斯的技术关键就是确定钻孔布置参数,确切地说就是确定瓦斯抽采的最优汇集区域,这个汇集区域必须具备4个基本特征。

(1)汇集区域所在岩层的层位必须在长时间内稳定存在,保证具有相当长的瓦斯抽采时间。

(2)具有稳定的高瓦斯浓度,成为采场范围内的一个“瓦斯库”,能保证较高的瓦斯抽采率。

(3)在采动影响下会产生一定的裂隙通道,能使临近层等较大范围处的瓦斯可以源源不断地进入。

(4)产生的裂隙通道不能过度畅通,以防大量空气进入,降低抽采浓度和抽采效率。

在对高位裂隙钻孔布置参数和抽放效果分析后,如果瓦斯抽采的区域满足上述特征则证明钻孔布置参数合理有效。

2 工作面瓦斯涌出原因分析

高位裂隙钻孔主要解决因工作面瓦斯涌出量大而造成回风流和上隅角瓦斯超限问题。准确分析工作面瓦斯涌出来源是确定高位裂隙钻孔参数的首要工作。

通过现场考察和理论分析,将黄陵矿区二矿综采工作面瓦斯涌出源划分为工作面本煤层瓦斯涌出、邻近煤层瓦斯涌出、采空区落煤瓦斯涌出、采空区煤柱瓦斯涌出及围岩瓦斯涌出5个部分,工作面本煤层瓦斯涌出又包括采落煤瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出两部分。

含瓦斯煤层在开采过程中,邻近煤层及围岩中瓦斯的赋存条件遭到破坏,在一定区域内这部分瓦斯也涌入工作面,同本煤层瓦斯涌出一起构成采煤工作面瓦斯涌出。在黄陵二矿开采2#煤层后,上覆20 m左右岩层及1#煤层产生卸压,卸压煤层瓦斯沿着采动裂隙向采空区下渗;2#煤层上部有储气性能较好的砂岩层,开采2#煤层时,砂岩层中的这部分瓦斯也会沿着采动裂隙涌向采空区。聚集在采空区的瓦斯在浓度梯度的作用下向工作面方向扩散;另外,工作面部分风量流向采空区,这部分漏风在工作面回风侧又流向工作面,并将采空区瓦斯带入工作面。由此可见,实施高位钻孔抽采既可解决邻近层和围岩来源瓦斯,又可减少采空区向工作面的瓦斯涌出。

3 107工作面高位裂隙钻孔介绍

表1 107工作面高位钻孔参数

根据原有研究资料和现场经验黄陵矿区二矿107工作面初步设计了高位裂隙钻孔。钻场位于107回风巷,距切眼1230 m开始布置。钻场间距70 m,每个钻场有钻孔7个,孔径94 mm,孔长均为150 m,每一钻孔用直径113 mm钻头扩孔4 m长,用3寸钢管 (或PVC管)配合马丽散封孔,封孔长度均不小于3.5 m,详细钻孔参数见表1,钻孔布置见图1。

4 高位裂隙钻孔考察与分析

4.1 钻孔终孔位置分析

高位裂隙钻孔终孔位置应在采空区上覆岩层的冒落拱上方裂隙带中,也就是冒落带的上部和裂隙带的中下部,这样卸压瓦斯才可以通过裂隙被高位钻孔抽采,达到降低工作面瓦斯涌出的效果。因此,准确分析采空区上覆岩层的冒落带和裂隙带是确定瓦斯抽采最优汇集区域的首要工作。

图1 107工作面高位钻孔布置图

4.1.1 冒落带的确定

冒落带高度h冒主要取决于采厚和上覆岩石的碎胀性,通常为采厚的3～5倍。根据107综采工作面的覆岩岩性特征,按中硬岩层处理,则可使用如下统计公式:

式中:M——开采煤层的厚度,m。

107工作面开采煤层平均厚度为5.2 m,综采时一次采全高。则根据式 (1)得冒落带高度h冒= 9.8～14.2 m,为方便理论分析按平均10 m计算。

4.1.2 裂隙带的确定

岩层破断后,岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带 (裂隙带)。冒落带与裂隙带合称“两带”,又称为导水裂缝带,从瓦斯防治工作考虑又称导气带。按中等强度岩石计算则可导气带高度h导使用如下统计公式:

式中:M—开采煤层的厚度,m。

开采煤层的厚度按5.2 m,则根据式 (2)得导气带高度h导=38～49.2 m,为方便理论分析按平均40 m计算。

根据表1中1#钻孔终孔与顶板的垂距为38.8 m可以看出,钻孔的终孔位置是位于裂隙带中的,而且穿过了位于2#煤之上20 m左右的1#煤,可直接抽采此邻近层瓦斯,但位置稍高没有落入裂隙带中下部。不过,随着工作面的推进可以较长时间抽采瓦斯。

4.2 钻孔有效利用率及有效长度

根据采场上覆岩层活动规律的分析,钻孔只有在冒落带上方才是有效的 (见图2),因为随着工作面的推进,进入冒落带的孔就会随顶板垮落而导致抽风量过大无高浓度瓦斯或直接被堵死,失去作用。其钻孔有效长度计算见图2。

图2 钻孔有效利用率及有效长度计算

按三角形相似比钻孔有效效率为:

式中:ρ——钻孔有效效率,%;

H孔终——孔终位置高度,m;

H冒——冒落带高度,m。

有效长度:

式中:L有效——钻孔有效长度,m;

L孔——钻孔长度,m。

则按公式 (3)计算钻孔有效率ρ为74%,按公式 (4)计算钻孔的有效长度L有效为111 m。

理论分析钻孔的有效效率和有效长度都较高,故能在保证较小工程量的同时取得很好的抽放效果。

4.3 钻场间距

使用高位裂隙钻孔抽采瓦斯时,确定场间距也是技术关键之一。合理的钻场间距可保证前一个钻场内的钻孔由于受采动裂隙的影响而失去抽放能力后,后一钻场内的钻孔可马上抽采出较高浓度的瓦斯,从而保证工作面瓦斯涌出始终保持在一个较低的水平。

按照公式 (2)已分析了钻孔的有效长度L有效确定钻场间距L间距,其关键就是保证每一个钻场钻孔终孔位置都处于上一个钻场的有效长度L有效之上,见图3。

图3 钻场间距确定示意图

式中:a——钻孔仰角,(°)。

把公式 (4)得到的L有效=111 m和α=15°代入公式 (5)得钻孔间距为107 m,而为了保证稳定的瓦斯抽采,把钻场间距定在70 m可保证37 m钻孔接替,在同时抽采两个钻场的情况下效果应非常明显。

4.4 现场实测分析

为了准确分析高位钻孔的效果,印证理论设计与分析,在107回风巷的一个钻场安置4个孔板流量计,同时加设4个测气孔,每天下井对应工作面的进尺实测每个钻孔管路上孔板压差浓度,并通过计算得到该钻孔的瓦斯混合流量和瓦斯纯量。部分钻孔瓦斯纯量数据示意图见图4。

图4 瓦斯纯量与钻孔距顶板高度关系图

由图4可知:钻孔距顶板高度30 m之后开始有瓦斯被抽出,与回风巷平距最大的6#、7#孔首先有数值且7#孔很快达到最大值,之后是6#孔达到最大值,而它们都在钻孔距顶板高度17m左右发生突变。3#孔和4#孔在6#孔和7#孔数值变小后达到高峰且在钻孔距顶板高度10 m左右发生突变,此处应为冒落高度,而各孔效果也趋于一致。从3#、4#、6#、7#孔的曲线变化可以看出冒落拱距回风巷平距上的高度变化,最大冒落高度在17 m左右,最小冒落高度在10 m左右,与按照公式(1)计算的冒落高度在9.8～14.2 m相吻合。6#孔的瓦斯纯量明显大于7#孔,说明钻孔距回风巷的平距并不是越大越好,在30 m之内是比较合适的。距离回风巷较近的3#、4#孔前期抽放效果一般说明钻孔长度并不须一致,靠近回风巷的钻孔可适当减小钻孔长度。而数据都出现在钻孔距顶板高度30 m之后正验证了裂隙带高度在40 m左右,因为只有钻孔的终孔位置位于裂隙带的中下部才能靠较好的裂隙发育抽采瓦斯。

4.5 抽放总体效果分析

(1)抽放瓦斯量统计。抽放泵站的107高位裂隙瓦斯抽放日报表统计结果显示,以2009年6月共抽采瓦斯量 644814.64 m3,平均抽采瓦斯量14.9 m3/min。

(2)抽放率计算。

式中:dgk——高位钻孔瓦斯抽放率,%;

Qg——高位钻孔瓦斯抽采量,m3/min(以6月份为基础,按14.9m3/min);

Wg——工作面绝对瓦斯涌出量,m3/min (以6月份瓦斯监测数据为基础,按1.93m3/min);

Rg——上隅角瓦斯抽采量,m3/min(以 6月份抽放泵站统计为准,按1.6m3/min)。

经计算,dgk=80.8%。

由计算可得出高位裂隙钻孔的抽放率达到了80%以上,效果非常明显。

(3)抽放前后瓦斯情况对比。抽放前工作面配风1700 m3/min,回风巷瓦斯浓度最大时0.93%左右,绝对瓦斯涌出量8 m3/min左右。抽放后,抽出瓦斯量平均在14 m3/min左右,工作面回风绝对瓦斯涌出量降至2 m3/min左右,回风瓦斯浓度稳定在0.2%～0.3%,各地点瓦斯均无超限现象,工作面正常开采。抽放泵停运期间,工作面回风瓦斯浓度逐渐上升,并稳定在1.0%左右,抽放泵开起后,工作面回风瓦斯浓度逐渐下降,稳定在0.2%～0.3%之间。这说明工作面瓦斯涌出量比较稳定,抽放工艺对降低工作面瓦斯浓度起到了决定性作用。

5 结论和建议

经综合分析,107工作面回风巷高位裂隙钻孔布置比较合理,能够较好的解决工作面瓦斯涌出量较大的问题。现107工作面已基本回采完毕,建议布置下区段综采工作面的高位裂隙钻孔时,在结合采高的基础上充分考虑冒落带和裂隙带的高度,并考虑煤层倾角,降低钻孔仰角α,使钻孔的终孔位于冒落带之上、裂隙带的中下部,可保证有更好的抽放效果。另外,在钻孔的扇形布置上可考虑冒落拱的高度变化,从7#孔到1#孔逐渐缩短钻孔长度,减少钻孔施工工作量。详细优化钻孔参数见表2和图5。