高瓦斯综放工作面瓦斯抽采钻孔设计及抽采效果分析

2023-11-14高璟盎

陕西煤炭 2023年6期

高璟盎

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁抚顺 113122;2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁抚顺 113122)

0 引言

随着煤炭开采力度的加大,地质环境日趋复杂,煤层中瓦斯含量逐渐增大,对我国矿井安全高效生产带来重大影响[1-2]。瓦斯抽采作为工作面瓦斯治理的主要措施之一,其主要通过降低工作面风流中的瓦斯浓度,进而防止瓦斯爆炸[3]。矿井瓦斯又是一种清洁的能源,对于瓦斯涌出量较大的矿井,抽采瓦斯不仅是防治灾害的措施,也是利用能源的途径。高效抽采煤层瓦斯,将瓦斯资源变废为宝,并成为煤矿的重要伴生资源而得到发展与应用[4],确保矿井安全高效生产。

工作面瓦斯来源主要包括本煤层瓦斯、邻近层瓦斯、采空区瓦斯[5]。目前国内外研究者[6-7]在治理瓦斯方面一般采用高位钻孔、采空区埋管和本煤层顺层钻孔等手段。李炎涛[8]借用高位钻孔和低位钻孔来分析邻近层瓦斯的抽采效果,发现在瓦斯抽采巷中,前者较后者效果更好。侯金鑫[9]基于经验公式法、数值模拟和试验,对高位钻孔参数进行优化研究,发现优化后的高位钻孔抽采效果良好。李懿[10]分析了不同裂隙带高度钻孔瓦斯抽采技术,并且对其进行了现场应用,发现前者主要抽采裂隙带瓦斯,后者主要抽采截抽上隅角瓦斯。鲁义等[11]基于数学模型、数值模拟,分析钻孔抽采效果,得到钻孔布孔间距与抽采半径影响关系。王一琦等[12]研究不同参数顺层钻孔抽采作用,并分析其对抽采效果的影响,发现钻孔的大直径有利于提高瓦斯的抽采效率。

以山西某矿090507工作面为研究对象,工作面选用顺层钻孔、高位钻孔和采空区埋管等方法,对090507工作面进行钻孔设计及抽采,且对各钻孔瓦斯抽采和瓦斯综合治理效果进行分析。以期防止工作面及采空区瓦斯超限,为瓦斯抽采及瓦斯综合管理提供依据,更好地指导矿山安全生产和瓦斯资源开发利用。

1 矿井概况

山西某矿8+9号煤层属于不易自燃煤层的高瓦斯矿井。090507工作面采用全负压独立通风,采用单U型巷道布置,皮带巷进风,轨道巷回风。

2 瓦斯抽采钻孔设计

根据090507工作面瓦斯涌出来源和实际情况,针对工作面煤层、上邻近层及本煤层采空区瓦斯涌出特点,选用顺层钻孔对本煤层瓦斯进行预抽;高位钻孔对邻近层瓦斯进行截抽;采空区埋管对采空区瓦斯进行边采边抽。

2.1 顺层钻孔抽采设计

090507工作面皮带巷开口向里1 298～2 612 m、轨道巷开口向里1 848～2 612 m、轨道巷开口向里1 298～1 848 m和轨道巷开口向里200～1 298 m区域分别设计钻孔垂直巷道中线,施工顺层瓦斯抽采钻孔。工作面共施工939个顺层钻孔,累计钻孔进尺87 954 m。其中,皮带巷共施工顺层瓦斯抽采钻孔298个,累计进尺26 208 m;轨道巷施工顺层瓦斯抽采钻孔641个,累计进尺61 746 m。

2.2 高位钻孔抽采设计

2.2.1 上覆岩层裂隙发育带理论计算

根据理论计算公式,计算090507工作面采空区冒落带、裂隙带发育高度,其中,冒落带计算公式见式(1)[13]

(1)

式中,Hm为裂隙带发育高度,m;M为煤层采高,4.4 m。

裂隙带计算公式见式(2)[13]

(2)

式中,Hl为裂隙带发育高度,m。

计算得到,090507工作面采空区冒落带最高发育高度为13.38～14.93 m,裂隙带最高发育高度为35.75～51.54 m。

综合分析冒落带和裂隙带发育高度数据,090507工作面裂隙带发育高度为14.93～51.54 m。结合8+9号煤层090508工作面顶板钻孔抽采情况和采空区“三带”活动规律的研究成果,有效抽采高度约为采高6～10倍;确定090507工作面顶板高位钻孔终孔位置,其位于煤层顶板上25～45 m。

2.2.2 工作面高位钻孔设计

在工作面皮带巷开口向里1 298～2 612 m范围施工本煤层钻场,钻场间距50 m,钻场内布置平均深度为107 m的6个高位钻孔;在轨道巷开口向里1 653～2 612 m范围施工高位钻场,钻场间距为70 m,高位钻场内钻孔呈两排布置,每个施工16个直径为113 mm的钻孔;在轨道巷开口向里200～1 653 m施工本煤层钻场,钻场间距为50 m,每个平钻场内布置6个钻孔,平均深度为110 m,钻孔直径为113 mm。090507工作面高位钻孔布置如图1所示。

图1 090507工作面高位钻孔设计示意

2.3 上隅角埋管抽放设计

为防止上隅角瓦斯积聚,沿090507工作面轨道巷敷设一路φ457 mm的低负压瓦斯抽采管路,架设在袋子墙上方深入采空区顶板冒落三角区以内,连续抽放工作面上隅角瓦斯。上隅角抽放管路随采随断,保证管路深入采空区的距离在15～30 m范围,从而提高上隅角的抽放效果。

3 综放工作面瓦斯抽采分析

3.1 顺层钻孔抽采分析

在工作面皮带巷距离切眼前450 m范围选取5个点进行分析,如图2所示。

图2 090507工作面皮带巷本煤层瓦斯抽采浓度分析

可以看出,在钻孔抽采开始第1天,3#孔、17#孔、37#孔、70#孔和87#孔抽采浓度达到最高,分别是59.79%、48.26%、55.94%、57.96%和45.96%,且随着抽采时间的延长,皮带巷钻孔瓦斯抽采浓度逐渐下降。在抽采第120天,3#孔、17#孔、37#孔、70#孔和87#孔抽采浓度降到最低,分别为3.75%、26.94%、27.22%、9.11%和11.06%。

在工作面轨道巷距离切眼前450 m范围均匀选取5个点进行分析,如图3所示。可以看出,在钻孔抽采开始第1天,9#孔、58#孔、104#孔、153#孔和199#孔的抽采浓度达到最高,分别为43.29%、35.74%、75.53%、45.66%和53.50%,且随着抽采时间的延长,轨道巷钻孔瓦斯抽采浓度逐渐下降。在抽采第120天,9#孔、58#孔、104#孔、153#孔和199#孔抽采浓度降到最低,分别为4.24%、4.83%、19.78%、4.69%和2.93%。

图3 090507工作面轨道巷本煤层瓦斯抽采浓度分析

综合分析,皮带巷作为回风巷,其钻孔瓦斯有一部分来源于下部老空区,因此钻孔瓦斯可以在较高浓度下持续较长时间。

3.2 高位钻孔抽采分析

3.2.1 高位钻孔抽采倾斜距分析

高位钻孔瓦斯抽采效果除了跟终孔位置的高度有极大关系外,跟终孔位置距回风巷帮的水平距离亦有较大关系。高位钻孔终孔点位置距回风巷工作面帮的水平距离定义为钻孔倾斜距。取090507工作面轨道巷5号高位钻场钻孔抽采数据进行分析钻孔倾斜距与瓦斯抽采效果的关系。钻场共施工16个钻孔,钻孔终孔位置距煤层顶板高度分别为32 m和27 m,钻孔倾斜距分布为8～66 m,钻孔的抽采浓度、抽采量与钻孔倾斜距的关系如图4所示。

图4 090507轨道巷5号高位钻场钻孔瓦斯抽采浓度数据

可以看出,同高度钻孔的瓦斯抽采浓度、抽采量随倾斜距的不同呈现明显规律,终孔位置距离工作面回风巷越近瓦斯抽采浓度和抽采量越低,距离越远瓦斯抽采浓度和抽采量越高。钻孔倾斜距布置在25～66 m时,钻孔位于塑性区破坏线以内,横向和纵向裂隙发育程度较高,瓦斯抽采浓度或抽采量大,瓦斯抽采效果好。

3.2.2 高位钻孔有效抽采平距分析

高位钻孔抽采包括孔外抽采和孔内抽采,孔内抽采是指当采面推进到钻孔终孔点位置的抽采,孔外抽采是指当采面距钻孔终孔位置还有一段距离,由于裂隙带的作用能超前抽采瓦斯。090507轨道巷4#、9#高位钻场钻孔抽采浓度与平距关系如图5所示。可以看出,随着工作面的推进,抽采瓦斯浓度先增大,稳定之后开始下降,逐渐趋于零。综合分析,4#钻场、9#钻场中其高位钻孔的平均有效抽采平距分别为52 m、110.6 m;钻孔利用率分别为49.4%、84.8%。可见,9#高位钻场具有良好的抽采效果,且钻孔利用率较高。

图5 090507轨道不同高位钻场钻孔抽采浓度与平距关系

3.3 上隅角埋管抽放分析

上隅角埋管抽采效果主要与工作面周期来压的情况有关,周期来压过程中,顶板垮落上隅角埋管抽放时,效果较好。选取工作面回采160～280 m区间的上隅角埋管抽放数据进行分析,如图6所示。其工作面周期来压的距离为7～13 m,对上隅角抽采量的高点间距进行分析(图6中竖线间距),可以看出抽采量高点间距分别为7 m、8 m、13 m、8 m、9 m、9 m、10 m,与工作面周期来压的步距一致。

图6 090507工作面上隅角瓦斯抽放参数与工作面推进距离关系

上隅角埋管抽放采空区瓦斯,有利于减小上隅角瓦斯含量。实际生产过程中上隅角瓦斯浓度与工作面生产强度和工作面走向瓦斯含量有较大关系,与上隅角埋管长度无明显的规律。根据上隅角埋管瓦斯抽放浓度、抽放量和工作面推进距离的关系,如图7所示,分析得出上隅角最佳的埋管长度为15～20 m。

图7 090507工作面上隅角瓦斯抽放参数与埋管距离关系

4 综放工作面瓦斯治理综合效果分析

090507工作面在抽采之前瓦斯浓度为0.36%～0.49%,平均为0.42%,工作面通过本煤层钻孔对煤层瓦斯进行抽采,抽采后很好的抑制了工作面煤壁瓦斯向工作面巷道涌出,大大减小了工作面风排瓦斯量,工作面回风流瓦斯浓度下降为0.20%,抽采效果较好。当090507工作面在井下的瓦斯抽采混合流量,由21.86 m3/min调整为77.39 m3/min,调整后工作面的瓦斯抽采量大大增加,风排瓦斯量大大减小,如图8所示。工作面瓦斯抽采率由之前的62.67%增加到89.78%,回风流瓦斯浓度降低到0.13%～0.05%,平均为0.08%,瓦斯抽采取得非常明显的效果,为工作面生产创造了良好的条件。