古书院矿15#煤层顶板裂隙演化规律及高位钻孔优化设计

刘建兵

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司古书院矿)



古书院矿15#煤层顶板裂隙演化规律及高位钻孔优化设计

刘建兵

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司古书院矿)

摘要上隅角瓦斯超限一直是综采工作面瓦斯治理的重点，顶板裂隙带是瓦斯的富集区，将高位钻孔布置在采空区顶板裂隙区内进行瓦斯抽采能有效解决上隅角瓦斯超限问题。在对古书院煤矿15#煤层顶板岩层采动裂隙形成“三带”高度进行研究的基础上，对回风巷高位钻孔布置方案进行优化设计，解决了15#煤层回采工作面上隅区瓦斯浓度超限问题。

关键词冒落带裂隙带岩层探测高位钻孔

我国矿井开采深度平均每年增加10～30 m，机械化程度和煤炭产量日益提高，煤层瓦斯压力、瓦斯含量、地应力和瓦斯涌出量也不断增大[1]，由遗留煤柱、采空区余煤以及邻近煤层涌入采空区的瓦斯量也会大幅度提高，造成上隅角和回风流中瓦斯浓度超限，给安全生产带来了严重威胁[2]。高位钻孔抽采采空区裂隙瓦斯由于其成本低、效果好、施工方便、管理简单，是解决上隅角瓦斯超限的有效方法之一，目前已在多个矿区得到应用[3-6]。已有研究表明,在裂隙带布置高位钻孔能够实现连续抽采，达到最佳的抽放效果。采场裂隙发育和演化既复杂也存在多面性，本文针对古书院矿15#煤层坚硬顶板，在研究其裂隙带在采动影响下的形成和分布规律的基础上，对采空区上隅角瓦斯抽放高位钻孔进行了优化设计。

1工程概况

古书院矿隶属于山西省晋城煤业集团，地处晋城市城区北环路，年产煤量330万t，是晋煤集团最早开采的三大矿井之一。该矿15#煤层与9#煤层相距约30 m，15#煤顶板上方为9#煤层采空区。目前15#煤为主采煤层，与其上部的9#煤层间距较小，所以对15#煤顶板裂隙的发育及三带高度的划分尤为重要，是15#煤层能否建立高位钻孔抽采系统的前提条件。

2三带高度理论计算

在全部垮落法管理采空区的情况下，采空区顶板岩层由下而上一般分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。根据顶板岩层岩性的不同，采动影响下顶板岩层垮落带和裂隙带高度采用不同的计算方法，因此需对顶板岩性进行归类。

15#煤层平均倾角3.5°，煤层厚度0.81～3.56 m，平均厚度1.98 m。直接顶为K1灰岩，坚硬，厚度约9.10 m；老顶为砂质泥岩，坚硬、细密，厚度约2.30 m。

由于15#煤层顶板坚硬，计算垮落带高度时需按坚硬覆岩岩性考虑，垮落带最大高度Hm[7]为

(1)

裂隙带最大高度Hli为

(2)

式中，ΣM为煤层累积厚度。

根据式(1)、式(2)，分别计算古书院矿15#煤层顶板垮落带厚度为(9.1±2.5) m，裂隙带厚度为(32.5±8.9) m。忽略误差，以顶板为0面，顶板以上0～9.1 m为垮落带，9.1～44.3 m为裂隙带。

3裂隙发育探测

3.1岩层探测仪

采用YTJ20型岩层探测记录仪(见图1)，在探测钻孔中布置微型摄像机，对井下围岩状态(包括离层区、裂隙区、剪切破坏区等)进行直观读取，结合分析软件，可对岩(煤)层产状、裂隙发育情况进行较为准确的推测。

图1　YTJ20型岩层探测记录仪

3.2探测孔布置

此次探测地点为古书院矿1523073和1513051巷的采空区顶板，每个巷道分别布置2组，共6个钻孔，每组仰角分别为24°，35°，40°，钻孔深度设计为30 m。在钻孔实施过程当中，为了减少工程量，节约成本，尽量利用已有的、达到设计标准的顶板爆破孔或探放水孔。

3.3探测结果

根据1513073巷和1513051巷的探测，分析钻孔斜长和垂高的相应位置关系，并给出15#煤层顶板裂隙面的位置，具体见图2。

从1523073巷和1513051巷岩层探测和位置关系分析，可得出以下结论：

图2　钻孔探测示意

(1)采前裂隙发育程度较采后偏低。在现场探测裂隙过程中，当探测点与15#煤层垂高为14 m以下时，裂隙发育程度较低；当探测点与15#煤层垂高大于14 m时，垂高与裂隙发育程度成正比，即垂高越大，裂隙越密集。

(2)5个探测孔垂高基本都在15.46 m和16.34 m 处时，裂隙发育程度最高，可以判定该裂隙沿着煤层呈面状布置，这与之前计算的理论垮落带高度(9.1～44.3 m)基本吻合。

4高位钻孔优化设计

4.1回风巷高位钻孔设计方案

根据现场试验，在采空区顶板裂隙带内布置抽采钻孔，抽采的瓦斯浓度较高，对流向工作面上隅角瓦斯起到了截流作用。

根据15#煤层裂隙带发育情况以及瓦斯运移规律，该矿建立了一套以“顺层钻孔抽采、顶板高位钻孔抽采和采空区埋管抽采”为核心的立体式综合抽采技术。

高位钻场设计在工作面回风巷中，按间距80 m布置。整条巷道共布置16个钻场，每个钻场沿走向布置5～6个抽采钻孔，要求钻孔尽可能的布置在顶板裂隙带内。每个钻场钻孔需超前一钻场20 m以上，具体见图3。钻孔施工完毕后，通过抽采管道连接到地面瓦斯泵站进行瓦斯抽采。高位钻孔抽采瓦斯剖面见图4。

图3　高位钻孔平面布置示意(单位：m)

4.2高位钻孔抽采效果

钻孔瓦斯涌出规律取决于矿山地质条件和技术条件。在该两条件不变的情况下，受采动影响时，钻孔瓦斯涌出量随着时间的增加先减小后增大，随后逐渐减小。

图4　高位钻孔抽采瓦斯剖面

一般来说，当高位钻孔布置在工作面后方10～20 m时，由于受采动影响，垮落带冒落，裂隙带发育充分，瓦斯涌出量较大，抽采流量和抽放浓度较高，抽采效果显著；当工作面在高位钻孔前方时，受工作面超前影响，工作面顶板岩层应力集中，并向工作面前方偏移，此时在煤体上方顶板会形成应力集中区，在其作用下，煤(岩)体被压实，孔隙率和透气性系数都会减小，此时钻孔浓度和流量偏低；而当工作面在钻孔后方0～10 m后，顶板开始冒落，裂隙发育不充分，钻孔混合流量与浓度有小幅度提升；当工作面在钻孔后方10～20 m时，流量和浓度最高；当工作面推过钻孔20 m后，采空区顶板，特别是老顶会产生初次来压和周期来压，此时岩层活动加剧，岩层挤压对抽采管路造成剪切破坏和压坏，再加上采空区风流(大部分空气)进入裂隙带，钻孔中瓦斯浓度逐渐下降，随后由于管路的破坏，两者还会呈现急剧下滑的趋势。

而此次钻孔布置在工作面前方，采过之后能够有效地抽取工作面回风巷10～20 m处的瓦斯，同时也能改变风流方向，降低上隅角瓦斯浓度。现场实测表明，各钻场瓦斯抽放孔终孔位置布置合理，位于瓦斯富集的顶板裂隙带内，各钻孔瓦斯浓度达8%～20%，瓦斯抽放效果理想，回风巷上隅角瓦斯浓度明显降低。

5结论

(1)采用理论计算，得出古书院矿15#煤层顶板三带划分高度，计算结果与顶板岩层观测仪现场探测裂隙发育情况较为一致，为该矿15#煤层采动影响下顶板岩层三带高度划分提供了较为准确的依据。

(2)通过对高位钻孔的优化设计，解决了15#煤层综采工作面上隅角瓦斯超限问题。提出对采空区顶板裂隙带富集瓦斯抽采，截流了上隅角瓦斯，基本解决了上隅角瓦斯浓度超限。

参考文献

[1]国家安全监管总局.煤矿瓦斯灾害防治科技发展对策[R].北京：国家安全监管总局,2014.

[2]肖长河.综放工作面高位顶板裂隙钻孔抽放瓦斯技术[J].中州煤炭,2007(2):79-80.

[3]王耀锋,聂荣山.基于采动裂隙演化特征的高位钻孔优化研究[J].煤炭科学技术,2014,42(6):86-91.

[4]李霄尖,姚精明,何富连,等.高位钻孔瓦斯抽放技术理论与实践[J].煤炭科学技术,2007,35(4):16-19.

[5]孟攀,叶金焱.采场覆岩裂隙发育及高位钻孔优化设计—以祁南煤矿34下2工作面为例[J].煤田地质与勘探,2012,40(2):19-22.

[6]周卫金,方小伟.高位钻孔抽放的瓦斯渗流研究[J].煤炭科学技术,2006,34(1):76-78.

[7]郭文兵,柴华彬.煤矿开采损害与保护[M].北京：煤炭工业出版社,2008.

(收稿日期2015-02-11)

Roof Fissure Evolution Regularity of 15#Coal Seam and High Level Borehole Optimizing Design of Gushuyuan Mine

Liu Jianbing

(Gushuyuan Mine, Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group Co., Ltd.)

AbstractThe upper corner gas gauge is always the focus of the gas governance of fully mechanized working face. The roof fissure zone is the gas enrichment region, the high level borehole is arranged in the roof fissure zone so as to deal with the upper corner gas gauge effectively. Based on analyzing the high of the "three zones" formed by the roof strata mining-induced fissures of the 15# coal seam in Gushuyuan mine, the arrangement scheme of high level borehole is conducted optimization design, the problems of upper corner gas gauge of 15# coal seam fully mechanized working face are solved effectively.

KeywordsCaving zone, Fissure zone, Rock detection, High level borehole

刘建兵(1977—)，男，工程师，048000 山西省晋城市。