基于黄陵一号煤矿UDEC高位钻孔优化设计应用研究

张海波 周玉军

(河南工业和信息化职业学院,河南省焦作市,454000)

基于黄陵一号煤矿UDEC高位钻孔优化设计应用研究

张海波 周玉军

(河南工业和信息化职业学院,河南省焦作市,454000)

为对黄陵一号煤矿工作面高位抽采钻孔参数进行合理优化,应用UDEC软件对工作面采空区上覆岩层的运移和裂隙延展进行了数值模拟,模拟得出了上覆岩层冒落带和裂隙带的裂隙延展范围;对高位钻孔抽采的最佳布孔层位进行了现场测定考察,结合数值模拟和现场考察结果,确定了两带的高度范围和高位钻孔抽采的最佳抽采层位,实现了对高位钻孔瓦斯抽采参数的合理优化。

高位钻孔抽采 数值模拟 垂直三带高度 布孔层位 参数优化

1 工作面概况

黄陵一号煤矿603工作面开采2#煤层,煤层平均厚度2.644 m,伪顶为碳质泥岩,厚度小于0.1 m,掘进时随煤层一起冒落;直接顶为灰黑色泥岩,厚度1 m左右;老顶为粉沙岩、细岩互层,厚度20 m左右。2#煤层上20 m左右为1#煤层,厚度为0.5 m左右,为不可采煤层,但1#煤层瓦斯含量较高,在2#煤层所布置的工作面正常回采过程中经常出现瓦斯超限情况,因此采取必要的高位钻孔来抽采卸压区域内的瓦斯。

随着工作面回采过程中顶板垮落,为合理布置高位钻孔的位置需要对冒落带及裂隙带的范围进行研究和计算,为此煤炭科学研究总院西安研究院对黄陵一号煤矿裂隙带和冒落带进行了考察,通过对相邻工作面顶板冒落带以及裂隙带计算结果以及对本煤层围岩进行实验室试验,由经验公式计算得出603工作面2#煤层采动覆岩裂隙带上界垂高为65.5 m,裂隙带最发育的垂高范围为14.8～42.2 m;经验公式计算得出603工作面2#煤层覆岩采动冒落带高度为14.8 m左右,经过施工佐证得出603工作面2#煤层覆岩采动冒落带高度小于23.4 m。

2 采动过程上覆岩层数值模拟

2.1 模拟工作面模型的建立

603工作面推进过程中,利用UDEC模拟软件模拟回采期间采空区上覆岩层的冒落带和裂隙带演化情况。模型尺寸为500 m×200 m(长×高),模型左右边界设为单约束边界,施加水平方向的约束力,边界结点只在垂直方向运动,模型底部设为全约束边界,岩层的自重作用在上部边界。计算选择摩尔-库仑屈服准则。物理力学模型如图1所示。

图1 物理模型图

煤与岩体力学和节理面力学参数见表1。

表1 煤与岩体力学和节理面力学参数

2.2 数值模拟结果分析

模拟603工作面正常回采推进距离10 m、 20 m、50 m、100 m、150 m、200 m时上覆岩层的破断及垮落情况,煤层位于冒落带下方,如图2所示。

推进距离10 m时,直接顶开始垮落,呈拱形冒落,冒落高度为4～6 m;当推进到20 m时,垮落范围扩大,拱形更加明显,冒落带高度已经达到8～10 m;当推进到50 m时,冒落带高度基本稳定在了12～14 m而不再向上发展。随着开挖的持续推进,在冒落带上部,裂隙带的岩层沿层理裂开形成离层裂隙和垂直或斜交于岩层的破断裂隙,从整体上看,裂隙带高度为45～50 m;裂隙带上部的弯曲下沉带岩层整体位移,并在自重的作用下产生法向弯曲,但基本上保持了原有的整体性。根据模拟结果,2#煤层开采形成的冒落带高度为12～ 14 m,裂隙带高度为45～50 m,最佳发育裂隙高度为25～28 m。随着工作面推进距离的不断增加,直接顶和老顶开始进行有周期性的垮落,而垮落下来的岩石在采空区也慢慢被压实,但在两侧裂隙带高度明显高于被压实区的裂隙带高度,存在较为明显的竖向破断裂隙,由此可以推断在采空区四周存在一定范围的裂隙发育区。

3 现场考察及参数优化

在603工作面回风巷距回采面150 m开始布置高位钻场。钻场间距60 m,设计布置10个钻场,每个钻场布置8个钻孔,孔径94 mm,孔长在110～150 m之间,每一钻孔用直径113 mm钻头扩孔4 m长,用钢管(或PVC管)配合马丽散封孔,封孔长度均不小于3.5 m,1#高位钻场详细参数见表2。

603工作面1#高位钻场钻孔平剖面布置如图3所示。

图3 603工作面高位钻场钻孔布置图

在603回风巷的一个钻场安置4个孔板流量计,每天根据工作面的进尺实测钻孔瓦斯流量和浓度。通过数据整理、分析,绘制了工作面距离高位钻孔位置与部分钻孔瓦斯抽采纯量的关系曲线,如图4所示。

图4 工作面距离高位钻孔位置和部分钻孔抽采瓦斯纯量的关系

从图4可以看出,当钻孔进入裂隙带时,瓦斯抽采纯量逐渐增大;当钻孔由裂隙带进入冒落带后,瓦斯抽采纯量开始逐渐减小。因此整个过程中瓦斯纯量随着推进距离基本上呈现出先增大后逐渐减小的趋势。从测定的数据可知,在钻孔距离钻场40～120 m范围内抽采效果较好。

为了对比不同层位瓦斯抽采效果,绘制了工作面推进到不同位置时,部分钻孔距顶板高度和瓦斯抽采纯量的关系曲线,如图5所示。总体上看,布置在中间层位的4#和5#钻孔抽采效果较好,而层位布置较高的8#钻孔抽采效果较差。从单孔情况看4#钻孔在距离顶板9～21 m范围内抽采效果较好;5#钻孔在距离顶板11～29 m范围内抽采效果较好;8#钻孔总体效果不好,仅在16 m附近有一定的效果。

图5 高位钻孔距顶板高度和抽采瓦斯纯量的关系

根据高位钻孔抽采效果考察,最佳抽采层位距离煤层顶板应为10～29 m。从数值模拟中可以看到,煤岩层的最佳发育裂隙高度为25～28 m,这与现场的考察结果较为吻合。综合高位钻孔抽采效果考察及数值模拟结果,加之抽采钻孔抽采时空关系,最佳抽采层位距离煤层顶板可定为13～25 m,随钻孔距离回风巷平距的增大,钻孔终孔高度逐步增大。

为了详细分析钻孔距离回风巷平距与抽采效果的关系,根据考察结果绘制了部分钻孔距离回风巷平距与瓦斯抽采纯量的关系,如图6所示。

图6 高位钻孔距回风巷的平距和抽采瓦斯纯量的关系

由图6可以看出,4#钻孔最佳位置是距回风巷平距12～36 m之间,抽采效果较好;5#钻孔的最佳位置是距回风巷平距3～8 m之间;8#钻孔的最佳位置是距回风巷平距15～40 m之间。总体上讲,高位钻孔在距离回风巷平距4～35 m时抽采效果较好。

通过对以上模拟数据以及现场考察数据的分析,可得高位钻孔优化参数：裂隙带高度为45～ 50 m,最佳抽采层位距离煤层顶板应为13～25 m,高位钻孔在距离回风巷平距4～35 m时抽采效果较好,钻场间距定为60 m为佳,孔长最长定在140 m为佳,终孔定在裂隙带的中下部,故仰角定在10°为佳,3#钻场详细钻孔优化参数如表3所示,为在603工作面将要施工的3#钻场及钻孔参数提供依据。

603工作面高位钻场钻孔优化布置如图7所示。

图7 工作面高位钻场钻孔优化布置图

通过测定现场不同钻孔的实际瓦斯流量参数以及UDEC模拟,合理优化了高位钻场钻孔参数,优化后的高位钻孔的瓦斯抽采纯量有明显的提高,且在工作面正常回采过程中没有出现超限情况,表明优化后的参数更合理。

表3 3#钻场高位钻孔优化参数表

4 结论

(1)根据数值模拟结果,工作面回采过程中采空区上覆岩层冒落带高度为12～14 m,裂隙带高度为45～50 m,最佳发育裂隙高度为25～28 m。

(2)根据高位钻孔抽采效果考察,最佳抽采层位距离煤层顶板应为10～21 m;这与模拟的结果较为吻合;同时得出高位钻孔在距离回风巷平距4～35 m时抽采效果较好。

(3)结合模拟和现场考察的结果,确定最佳抽采层位距离煤层顶板应为13～25 m,据此对高位钻孔瓦斯抽采参数进行优化。

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(责任编辑 张艳华)

Application research on optimization design of high position drilling based on UDEC in Huangling No.1 Coal Mine

Zhang Haibo,Zhou Yujun
(Henan College of Industry&Information Technology,Jiaozuo,Henan 454000,China)

To optimize the parameters of high position drilling of Huangling No.1 Mine work face,UDEC is utilized for numerical simulation of migration and fracture extension of overlying strata above the goaf,coming up with the extension of fracture zone and caving zone of the overlying strata;the optimum drilling position and distribution were measured on site,numerical simulation and in-situ measurement results accounted for the height extension of fracture zone and caving zone and the optimum drainage position of high position drilling,realizing optimization of the drainage parameters of high position drilling.

high position drilling drainage,numerical simulation,height of vertical three zones,borehole positioning,parameter optimization

TD712.62

A

张海波(1976-),男,辽宁抚顺人,副教授,硕士研究生,从事采矿及安全的教学及科研工作。