大倾角突出煤层群岩层高位中小钻孔瓦斯抽采技术

2020-04-30谢东海张轩尹红球苏波孟远

矿业工程研究 2020年1期

谢东海,张轩,尹红球,苏波,孟远

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;2.煤矿安全开采技术湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201;3.湖南煤业集团嘉禾矿业有限公司,湖南嘉禾 424506)

近年来,随着矿井的开采深度增加,瓦斯治理的难度不断加大,大倾角突出煤层群的安全高效开采是目前国内外研究较少的难题,纵观国内外瓦斯研究的历史,无论是理论研究还是现场实践研究均取得了可观的成果.闫浩[1]等利用UDEC软件,以平煤十二矿为研究对象,研究了上保护层高瓦斯低透气性煤层的开采问题,提出了采选抽充防的开采技术,并将模拟与现场对比,研究表明,该技术提高了瓦斯抽采率,降低了瓦斯压力.李晓疆[2]等以新疆某矿为研究对象,采用FLUENT软件模拟优化了工作面回风巷高位钻孔瓦斯抽采参数,现场实验表明钻孔优化可有效降低工作面上隅角瓦斯浓度.舒才[3]等以兴隆煤矿为研究对象,建立数学模型,提出了参数确定方法,并将模型结果与现场研究进行对比,由此得到了钻孔有效抽采瓦斯半径与瓦斯抽采量的规律.段守德[4]等建立FLAC3D数值模型,以平煤八矿为研究对象,并将现场结果与模拟结果对比,当出煤量在0.37～1.00 t/m时,煤孔的孔间距为5 m左右,此时煤体的卸压效果可达到良好.张小涛[5]以东林煤矿为研究对象,研究了施工期间粉尘污染问题,采用钻孔抽采瓦斯后又利用该孔进行煤层注水减尘,大大提高了降尘效率,减少施工量.朱丽媛[6]等以阜新某矿为研究对象,研究了瓦斯突出、冲击地压的转化复合机理,结果是随着瓦斯压力的增大,工作面煤岩体的应力反而减小.张友谊[7]等以平煤八矿为研究对象,建立灰色关联模型,研究煤与瓦斯突出预测准确率问题,将模拟结果与现场实际相比较,结果表明该模型的正确性与适用性.马孝富[8]等以蛇形山煤矿2341工作面为研究背景,研究了大倾角煤层群下保护层工作面风巷本煤层高位钻孔采空区瓦斯抽采,基本解决瓦斯超限问题.文献[9]针对急倾斜本煤层下保护范围工作面具有“三高二低”(倾角较高、瓦斯压力高、瓦斯含量高,井型偏低、瓦斯抽采效率低)的生产地质特征,研究了急倾斜煤层工作面下保护范围的有效距离,说明在该类煤层中上部工作面开采后可以给下部工作面开采带来6～10 m的卸压区域条带.防治煤与瓦斯突出细则[10]中规定了在实行保护层区域开采技术措施时,除了解决保护层工作面的瓦斯问题外,还应对被保护层的瓦斯进行抽采;目前在解决突出煤层的回采工作面开采过程中的瓦斯抽采方法,一般采用本煤层中实施顺层扇形、平行等钻孔抽采、交叉钻孔抽采等,这些方法不同程度出现钻孔工程量大,抽采过程中易出现单孔负压值低,瓦斯抽采效率低,工作面上隅角瓦斯超限等问题;在解决被保护层瓦斯问题上,实践过程中也出现被保护层的瓦斯通过裂隙在保护层工作面涌出,至上隅角出现瓦斯超限问题,规程规定应该对被保护层进行瓦斯抽采,也存在瓦斯钻孔工程量大,在保护层工作面回风巷施工钻孔影响保护层工作面的正常生产,且在保护层工作面开采后,就不能对被保护层瓦斯进行抽采等,形成了保护层工作面开采后的重大安全隐患,如此多的问题以及大倾角突出煤层群保护层工作面瓦斯治理问题,是现场亟待解决的工程技术问题.

1 理论研究

“大倾角煤层”这一概念在我国的使用[11],主要是受国际上主要产煤国的影响而引入我国的;国际主要产煤国将煤层按倾角分成4类:0°～18°为缓斜煤层,19°～34°为倾斜煤层,35°～55°为大斜或陡斜煤层,56°～90°急斜煤层,这些主要是考虑煤层应用机械化开采时对于不同倾角类别煤层采取相应技术措施;而我国目前还是分3类煤层:0°～25°为缓倾斜煤层,25°～45°为倾斜煤层,45°～90°为急倾斜煤层,这是我国建国以来应用机械化技术上所做的规定,当时仅限于45°以下煤层中使用机械化技术;随着我国机械化技术的不断开发和应用,我国已经在45°以上煤层应用了机械化技术进行多年开采,对煤层开采倾角的分类在我国煤炭开采工程与学术界尚无统一定义,大多数学者与工程技术人员倾向于将35°～55°煤层称为大倾角煤层,且在许多国内外研究成果上有所反映.

大倾角突出煤层群的开采,按照《防治煤与瓦斯突出细则》是以进行区域防护措施为主,局部措施作为补充.在此主要以区域措施-保护层开采技术为主,对于瓦斯治理就是在进入区域之前必须做出相应的瓦斯抽采巷道,对煤层群进行瓦斯抽采达标后再进入煤层.本文仅对保护层工作面开采过程中瓦斯如何治理进行研究,考虑到保护层工作面开采前的穿层钻孔抽采存在盲区,保护层开采工作面开采过程中,为确保保护层工作面安全高效开采,尚需对部分盲区采取本煤层抽采瓦斯,其主要方法有:顺层钻孔,扇形钻孔,交叉钻孔.由于保护层开采,特别是首个保护层开采时,受被保护层煤层瓦斯的影响,使保护层工作面按照这些方法施工难于达到要求,一是经常出现保护层工作面上隅角瓦斯超限问题,二是由于被保护层煤层在保护层开采后由于保护层工作面顶板裂隙发育到被保护层煤层,被保护层瓦斯沿裂隙进入保护层工作面,导致保护层工作面瓦斯出现超限问题等.为了寻求大倾角高瓦斯或突出煤层的瓦斯抽采技术,首先考察目前对于倾斜煤层工作面的瓦斯治理进行研究,倾斜煤层开采过程中的瓦斯治理在工程中一般采用两种途径:第一种是利用保护层工作面顶板岩层裂隙带进行瓦斯抽采,如高位瓦斯巷抽采;第二种是在顶板裂隙岩层中实行真正意义的高位钻孔抽采,较好地解决了瓦斯问题.但对大倾角煤层群的瓦斯如何治理有待进一步的研究,首先要研究大倾角岩层冒落及移动规律和大倾角煤层瓦斯运移的基本规律,其次要研究大倾角煤层工作面顶板冒落带和裂隙带发育高度.

1.1 大倾角岩层冒落及移动规律和瓦斯运移的基本规律研究

已有大倾角突出煤层的开采研究[12-15]表明,大倾角突出煤层工作面除按照防治煤与瓦斯突出细则进行开采以外,还有其特殊性,首先是大倾角煤层的矿山压力普遍比缓倾斜和倾斜煤层工作面的要小,且出现工作面上、中、下部的矿山压力不一致,同时,出现工作面上部的矿压显现较下部的矿压显现大;其次是在大倾角煤层开采过程中出现跨落顶板向下滑移的特征,对工作面采空区下部构成充填;第三是在大倾角煤层工作面开采过程中由于瓦斯的扩散运移和重力运移作用,经常出现上隅角瓦斯超限的问题,甚至出现大倾角煤层工作面顶板岩层裂隙带的瓦斯纯度高、瓦斯量大等特点;第四是大倾角煤层一旦出现地质条件的变化(特别是断层和皱曲),给工作面开采过程中带来较大的困难.

1.2 大倾角煤层工作面顶板岩层“三带”研究

由矿压理论可知,当工作面推进后,在工作面煤层顶板岩层中出现“竖三带”(冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)的矿压显现,在研究该类煤层瓦斯治理时,主要考虑到煤层顶板裂隙带所储存的大量瓦斯,而现有的工程做法是在工作面回风巷中向采空区实施钻孔,进行瓦斯抽采,但随着工作面的推移还有许多瓦斯不能及时抽走,给工作面生产带来较大的隐患.为此,我们研究了一种大倾角突出煤层工作面顶板岩层高位中小钻孔瓦斯抽采方法,同时抽采保护层本煤层工作面采空区后方30～50 m范围的瓦斯及被保护层裂隙涌出的瓦斯,确保保护层工作面的生产安全.

根据三下压煤开采规程[16]给出的大倾角煤层(35°～54°)工作面开采后顶板岩层冒落带高度、裂隙带高度等计算公式,分别计算工作面顶板岩层冒落带、裂隙带最大高度.具体如下.

顶板岩层冒落带最大高度计算公式:

(1)

顶板岩层裂隙带最大高度计算公式:

(2)

式中:H1,H2为冒落带、裂隙带高度,m;M为煤层采高,m.

由于蛇形山煤矿Ⅳ煤的煤厚平均为1.95 m,将此数据分别代入式(1)和式(2)中,计算得到冒落带的最大高度为6.92 m,是工作面煤层实际采高的3.55倍;裂隙带的最大高度为8.82 m,是工作面煤层实际采高的4.52倍.除了进行计算外,在现场应进行各带的注水试验,根据注水体积分数的变化,最后确定两带的实际高度.

2 工程概况

2.1 矿井基本情况

湘煤集团蛇形山煤矿,年产30万t/a,为湖南省优质无烟煤生产基地之一.矿井共含煤7层,主采Ⅳ煤,煤厚0～8.7 m,平均1.95 m,煤层变异系数52%,煤层倾角25°～53°,平均为46°.矿井一直坚持开采保护层方法进行区域瓦斯治理,在矿井一水平采用开采Ⅲ煤来保护Ⅳ煤的上保护层开采的方式,由于Ⅲ煤的瓦斯参数高于Ⅳ煤的瓦斯参数,当矿井进入二水平后,则采用开采Ⅳ煤保护Ⅲ煤的下保护层开采的方式.

2.2 试验工作面情况

试验地点选取考虑矿井的生产采掘部署,确定在蛇形山煤矿23采区Ⅳ煤层2344工作面.下面为该工作面的具体情况.

1)工作面地理位置:2344工作面位于蛇形山煤矿23采区二水平Ⅳ煤第二个工作面,工作面机巷标高为-203 m,风巷标高为-158 m.工作面倾向长为100 m,走向长为420 m.

2)煤层赋存情况:从2344机、风巷掘进得知:Ⅳ煤层赋存较为稳定,Ⅳ煤层厚度在1.6～2.0 m,Ⅳ煤层赋存的倾角是40°～60°,其平均倾角是45°.

3)煤层瓦斯参数:2008年9月,在2344瓦斯巷西翼-193 m水平对煤层进行测压及有关参数进行测定四煤层瓦斯压力为3.0 MPa,瓦斯含量为25.7 m3/t.

4)2011年1月,矿上瓦斯队在2344工作面测出的绝对瓦斯涌出量是2.68 m3/min,其中在采空区及邻近煤层中测定的绝对瓦斯涌出量为2.01 m3/min,本煤层绝对瓦斯涌出量是0.67 m3/min,说明2344工作面的绝对瓦斯涌出主要来源于该工作面的采空区和有裂隙带联通的邻近煤层(被保护层Ⅲ煤).上行U型通风,风量为620 m3/min,在实验之前,回采工作面的瓦斯治理一直是利用风巷尾巷+气室的方式进行瓦斯抽放,但一直效果较差.

3 瓦斯抽采高位钻场、钻孔布置与施工

根据上述矿山压力理论中裂隙带的计算,最终确定高位钻场布在2344工作面顶板岩层中,且距回风巷的水平距离为17 m,此处距四煤层的法向距离为11.2 m,距Ⅲ煤层的水平距离为9.72 m.

采煤工作面采后瓦斯高富集区一般在工作面后方采空区30～50 m的地方,其抽采方法采取顶板岩层裂隙带抽采瓦斯,在大倾角煤层的回风巷向煤层顶板15 m以上水平距离的岩层中布置钻场,每个钻场相隔的距离在150～200 m,钻场与钻场之间必须要有20 m以上的重叠,确保上一个钻场抽采完毕之前,由下一个钻场进行接替,其钻孔参数(倾角和方位角)均同上一个钻场的钻孔参数,钻场内的5个钻孔采取钻场五花眼的布置方式,钻孔直径为Ф70 ～105 mm;每个钻孔用软管与矿井瓦斯抽采系统的管道相连,且在软管处测定瓦斯参数(瓦斯流量、瓦斯浓度、抽采纯量和抽采负压等);实现了煤层顶板岩层真正意义上的高位中小直径(Ф70～105 mm)钻孔的瓦斯抽采.具体2344工作面瓦斯抽采的高位钻场、高位钻孔的平面图和剖面图分别见图1～图3.

1-大倾角煤层;2-2344工作面运巷;3-2344工作面风巷;4-2344工作面;5,6-钻场;7-顶板冒落带;8-顶板裂隙带;(1)～(5)为钻场中钻孔编号

图1 2344工作面高位钻场、钻孔布置平面

图2 2344工作面高位钻场、钻孔布置走向剖面

图3 2344工作面高位钻场、钻孔布置倾斜剖面

相比倾斜煤层和缓倾斜煤层的大直径(Ф300 mm以上)走向钻孔,大倾角煤层进行的瓦斯抽采是在每个钻场中施工5个左右的中小直径(Ф70～105 mm)钻孔,其钻孔施工效率高,可以加快施工速度60% 以上,瓦斯抽采浓度可达99.9% 以上,瓦斯抽采效率明显得到提高,本质上解决了大倾角突出煤层群工作面上隅角瓦斯超限问题,还能解决大倾角突出煤层群工作面采空区后方一定范围内高瓦斯聚集区的瓦斯抽采问题;同时,大倾角突出煤层群保护层开采时,一定程度上拦截了被保护层卸压瓦斯,创新了中小型矿井瓦斯治理的工程技术,也是一项新的适用技术.

图1～图3中显示,在每个钻场中均布5个钻孔(编号分别为1#～5#),每个钻孔的倾角和方位角各有不同,其中3#钻孔为水平布置,1#钻孔和2#钻孔采取水平上向布置方式,即布在3#钻孔的上部,分别向钻场两边以一定的倾角和方位角向顶板岩层上方进行施钻,4#钻孔和5#钻孔采取水平下向布置方式,即布在3#钻孔的下部,分别向钻场两边以一定的俯角和方位角向顶板岩层下方进行施钻.钻孔由钻场位置沿顶板岩层向工作面开切眼上方进行施工,施工到距离开切眼10 m左右即可,如此,施工一个120 m的钻孔一个大班就能完成,这样5个钻孔也就5 d能施工完毕,比高位巷和大直径钻孔的施工速度快出40%～70%.当5个钻孔全部施工联网后,即可进行瓦斯抽采.

考虑斜角的计算公式,分别计算出每个钻孔的终孔标高.

H=Lsina.

(3)

式中:a为倾角,(°);H为高程,m;L为钻孔长度,m.

2344工作面高位钻孔的参数见表1所示.

表1 2344工作面高位钻孔参数表

钻孔施工及冒落带、裂隙带的确定:在钻场底板标高以上1.3 m作为施钻地点,根据Ⅳ煤层走向、倾角施工钻孔,每个钻场施工钻孔5个.当钻孔打完后,即刻注水进行冒落带和裂隙带的分界验证,若注水的体积分数在10% 以上时,钻孔终端所处范围为煤层顶板冒落带;在注水的体积分数达10%以下时,则该区域为煤层顶板裂隙带.

4 高位钻孔抽采瓦斯效果检验

待钻孔施工完毕,则连接矿井瓦斯抽采管路进行瓦斯抽采,具体每个钻场的各钻孔瓦斯参数,采取相关仪器设备进行测试确定.钻孔抽采瓦斯参数从2011年12月16日开始,到2012年1月4日截止,主要是检测抽采管道内的瓦斯参数(瓦斯流量、瓦斯浓度、瓦斯纯量和抽采负压等),所使用的检测仪器为CZJ70瓦斯抽放综合参数测定仪.所测参数分别见图4～图6所示,其中,图5中所有钻孔中除4#钻孔打在了冒落带,其抽采瓦斯浓度仅为15%～50%,其他钻孔的瓦斯抽采浓度都较高,1#，2#钻孔一直是99.9%,3#,5#钻孔的80%～90%以上.

如图4所示,1#钻孔和2#钻孔瓦斯流量开始时只有0.3～0.4 m3/min,随着工作面的推进,其瓦斯流量迅速达到0.7～0.8 m3/min,其余钻孔的瓦斯流量均为0.6 m3/min以上.但2#钻孔于2011年12月28日出现0.298 m3/min,说明抽采管路受到损坏.3#钻孔抽采流量比较稳定,达到0.60～0.75 m3/min附近.4#,5#钻孔抽采流量较高,达到0.76～0.80 m3/min,效果较好.