大孔径高位钻孔抽采瓦斯技术研究

2013-12-16张飞燕曹文涛

中国矿业 2013年8期

张飞燕，韩颖,，曹文涛

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454000；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；3.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室—省部共建国家重点实验室培育基地，河南焦作 454000)

沙曲矿是山西焦煤集团华晋焦煤有限责任公司在离柳矿区建设的第一对矿井，位于吕梁山脉中段西部，河东煤田中部，行政区划属山西省吕梁市柳林县管辖。井田大致呈北西-南东向弧形，长约22km，宽4.5～8km，面积138.3535km2，主采3、4号煤层，设计生产能力为3.0Mt/a。该矿于2004年11月建成投产，于2005年被鉴定为煤与瓦斯突出矿井，4号煤层为突出煤层。

近年来，随矿井开采深度的增加及生产强度的加大，煤层瓦斯压力、瓦斯含量及瓦斯涌出量逐渐增加，瓦斯治理难度日益增大。2008年，矿井相对瓦斯涌出量为79.06m3/t，绝对瓦斯涌出量为421.92m3/min，经矿井瓦斯来源及涌出构成分析可知，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60％以上[1]。针对此情况，沙曲矿采用倾斜高抽巷抽采采空区瓦斯，取得了一定效果[2]；但是，因开掘倾斜高抽巷资金投入大、工程量大，致使瓦斯治理工程进展缓慢，矿井采掘接替紧张。如何有效提高瓦斯治理效果，成为矿方亟待解决的问题。基于此，本文以24207工作面为对象，开展了大孔径高位钻孔抽采瓦斯技术研究。

1 研究区概况

24207工作面走向长1608m，倾向长284m，面积为528547m2，煤层倾角为5°，为3、4号煤层合并开采，煤层平均厚度4.17m，开采煤层有益厚度3.82m。该工作面总体上呈单斜构造，倾向西，倾角5°。井下揭露在24207胶带巷365m处，标高在+435m附近发现一陷落柱，其长轴44.12m，短轴31m，面积为1061m2；在24207轨道巷391m处，标高在+430m附近发现一陷落柱，其长轴37.31m，短轴27.74m，面积为835m2，未见断层和褶皱。

24207工作面采用倾斜长壁后退式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板；通风系统为“U+L”型，即胶带巷、材料巷进风，专用排瓦斯尾巷回风，通风方式为机械抽出式。在工作面回采过程中，绝对瓦斯涌出量为21～59m3/min。

2 裂隙带边界的理论确定

众所周知，采用全部垮落法管理采空区情况下，根据采空区覆岩移动破坏程度，沿竖直方向可以分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带[3]。高位钻孔应布置在岩体较完整且裂隙发育的区域，同时应避开因空隙过大而漏入大量空气的区域，这样才能保证钻孔有效地抽出高浓度瓦斯；若钻孔布置在冒落带内，其将随顶板岩体冒落而被破坏，过早失去抽采作用；若钻孔布置在弯曲下沉带内，其将因该带内无贯通裂隙而导致无法有效抽采。因此，裂隙带边界的准确确定，是高位钻孔合理布置的先决条件，将直接影响高位钻孔抽采瓦斯效果。

2.1 裂隙带上边界确定

目前，国内普遍采用经验公式预计冒落带、裂隙带的高度[4]，但其仅适用于煤层厚度小于3 m的情况[5]。24207工作面综合柱状图如图1所示，其煤层厚度为4.17m，不宜采用。

本文采用基于关键层理论的判别方法[5]确定裂隙带边界，具体步骤如下所示。

1) 确定关键层。根据关键层判别方法[6]，得出煤层上方有三层关键层：煤层上方第四层(4.5m中砂岩)为第一亚关键层，第九层(7.3m中砂岩)为第二亚关键层，第十七层(8.3m中砂岩)为主关键层。

2) 确定裂隙带临界高度HL。HL一般取煤层厚度的7～10倍[7]，则24207工作面HL=29.19～41.7m。

3) 计算各关键层距煤层顶板的高度hi。由图1可知：h1=6.59m；h2=17.56m；h3=46.24m。

4) 判别各关键层的破断裂隙是否贯通，进而确定裂隙带高度。因h1和h2均小于临界高度HL，所以破断裂隙贯通这两层关键层及其所控制的上覆岩层；而主关键层h3>HL，则裂隙延伸至主关键层下部边界，但并不贯通主关键层。因此，裂隙带高度为煤层顶部到主关键层下部边界的高度，即46.24m。

2.2 裂隙带下边界确定

研究表明：当煤层直接顶厚度小于2～3倍采高时，直接顶冒落后不能充满采空区空间，此时直接顶岩层与其上部的基本顶岩层之间存在一定的自由空间，基本顶是否处于裂隙带尚需进一步判别[8]。

由图1可以看出，24207工作面采高为4.17m，煤层上方直接顶厚度为6.59m，小于采高的2～3倍，故需对基本顶是否处于裂隙带进行判别，理论判别公式[3,9]如下

式中，li为基本顶断裂岩块长度，m；hi为自下而上第i层基本顶的分层厚度，m；M为煤层采高，m；ki为基本顶及其上覆岩层的碎胀系数，ki=1.15～1.33；∑h为直接顶厚度，m；kz为直接顶岩层碎胀系数，kz=1.33～1.50。

若同时满足上述两个条件，则基本顶岩层处于裂隙带；若不满足，则基本顶岩层处于冒落带。

24207工作面基本顶为厚4.5m的中砂岩，将基本顶整层看做一个分层，则i=1，M=4.17m，∑h=6.59m，kz=1.33，ki=1.15，将上述参数代入式(2)，得：h1=4.5>1.5[4.17-6.59(1.33-1)]=2.99，满足式(2)；经计算，l1=14.12m，可以得出：l1=14.12>2hi=2×4.5=9m，满足式(1)。由此可以判定，基本顶岩层处于裂隙带，裂隙带下边界为煤层上方6.59m处。

综上所述，裂隙带处于煤层上方6.59～46.24m，其厚度为39.65m。

图1 24207工作面综合柱状图

3 裂隙带边界的数值模拟研究

3.1 模型建立

本次模拟使用UDEC4.0进行，采用摩尔-库仑模型，分别建立倾向模型和走向模型，模型的左右边界均定义为单约束边界，固定x方向位移，y方向自由；定义下部边界x和y方向为全约束边界；上部边界为自由边界，不予约束。在模型上边界施加均布载荷，以模拟其上方顶板岩层的自重应力。为减小边界对开采区的影响，倾向模型两侧各留75m煤柱，分四步开挖，分别开挖25m、50m、75m、150m；走向模型两侧各留65m煤柱，开挖220m。

3.2 模拟结果分析

倾向模型模拟结果如图2所示。

图2(a)为煤层开挖25m时，其上方直接顶已冒落，而直接顶上方的基本顶，由于其强度大，暂时未垮落，此时采空区上方裂隙不发育，冒落带高度为直接顶厚度6.59m。

图2(b)为煤层开挖50m时，采空区上部基本顶岩层发生剪切破坏，基本顶已初次破断，但因其已形成“砌体梁”结构，并未完全垮落，仍支承着上覆岩层，此时冒落带高度仍为6.59m。基本顶所控岩层出现很大位移，并与第二亚关键层产生离层，且裂隙发育充分，裂隙发育高度达17.66m左右。

图2(c)为煤层开挖75m时，第二亚关键层已经破断，基本顶岩层经几次周期垮落后在其两端部位仍保持“砌体梁”结构；而在基本顶岩层中部，各周期破断后的块体由于水平方向上存在挤压力，并未完全冒落，此时冒落带高度仍为直接顶厚度6.59m。而由图中可明显看出，裂隙已穿过第二亚关键层发育到主关键层下部，而主关键层仅出现轻微下沉，仍保持完整性；主关键层之上裂隙几乎不发育，此时裂隙带高度已达46.24m。

图2(d)为煤层开挖150m时，采空区之上两端裂隙发育充分，但其中部裂隙已经闭合，说明此时其中部已趋于压实状态；而裂隙带高度仍保持在主关键层之下，并未再向上发展，且裂隙充分发育区分布在采空区之上两端部，冒落带高度一直稳定在6.59m。

综上所述，裂隙带上下边界分别为煤层上方46.24m和6.59m。数值模拟结论与理论分析结论一致。

图2 倾向模型开挖后冒落及裂隙分布图

走向模型模拟结果如图3所示。模型开挖220m，运算45681步达到平衡，由图中可以看出，采空区上部两侧0～50m范围内裂隙发育，为瓦斯抽采的最佳区域。

图3 沿走向方向裂隙分布图

4 大孔径高位钻孔抽采瓦斯技术研究

4.1 钻孔布置

在24207工作面尾巷施工9个钻场，每个钻场内采用德国ADR-250钻机施工5个直径为250mm的高位钻孔。为保证钻孔处于裂隙发育区，以高效抽采瓦斯，钻孔终孔位置处于煤层上方45m左右，工作面水平投影为25m。高位钻孔布置如图4所示，参数见表1。

表1 大孔径高位钻孔布置参数表

4.2 抽采效果分析

布置于1#、2#钻场内的高位钻孔抽采效果如图5、图6所示。

由图5、图6可以看出，高位钻孔抽采瓦斯分为三个阶段：初抽阶段、高浓阶段，衰减阶段。当钻孔进入工作面应力增高区时，煤层及顶板受压，产生微小裂隙，瓦斯在负压作用下进入抽采钻孔，此时抽采浓度高，但抽采纯量较低，抽采效果不明显；当钻孔处于工作面及采空区卸压区时，裂隙发育充分，平均抽采浓度达37.3％，平均瓦斯抽采纯量达11.58m3/min；当工作面推过钻场一段距离后，钻孔逐渐远离采空区瓦斯积聚区，瓦斯抽采浓度逐渐降低。

通过上述分析可以看出，大孔径高位钻孔抽采效果良好，工作面回采期间瓦斯超限问题得以有效解决。同时，大孔径高位钻孔施工费用低，工程量小，且不用考虑倾斜高抽巷施工中的局部通风问题，大大降低了瓦斯抽采成本。