五虎山煤礦高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究?

董紅娟 王 巖 焦帥朋 張金山

(內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

五虎山煤礦高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究?

董紅娟 王 巖 焦帥朋 張金山

(內(nèi)蒙古科技大學(xué),內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市,014010)

以五虎山煤礦011201工作面煤巖參數(shù)為基礎(chǔ),通過理論分析并結(jié)合數(shù)值模擬等方法,研究了煤層開采過程中上覆巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育范圍、圍巖應(yīng)力變化以及采動(dòng)瓦斯流場(chǎng)的分布規(guī)律及其特征,從而為高位鉆孔抽采瓦斯治理方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)的指導(dǎo).

高位鉆孔 上隅角 瓦斯抽采 裂隙分布 瓦斯流場(chǎng) 瓦斯治理

1 工作面概況

五虎山煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達(dá)礦區(qū),礦井初步設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬t/a,設(shè)計(jì)服務(wù)年限為107 a,1983年正式投產(chǎn).目前,礦井正在開采9＃、10＃、12＃煤層,該三煤層均屬石炭系上統(tǒng)太原組,其中9＃煤層厚0.45～4.36 m,平均2.82 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,含1～3層夾矸,巖性為頁巖,主要分布在煤層底部和頂部,屬較穩(wěn)定煤層;10＃煤層厚0.89～3.84 m,平均2.03 m,煤層厚度變化無顯著規(guī)律、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,僅局部含1～2層夾矸,屬較穩(wěn)定煤層;12＃煤層厚2.44～6.13 m,平均4.27 m,井田北部較南部厚,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,夾矸10層,其中可以對(duì)比的有3層,總厚平均0.7 m.各煤層瓦斯基本參數(shù)如表1所示.

011201綜采工作面位于五虎山煤礦12＃煤層北翼,工作面標(biāo)高+992～+1051 m,是12＃煤層第一個(gè)采煤工作面.該工作面南為12＃煤層盤區(qū)上山,東為011203工作面,上部為011003工作面,尚未開采.工作面走向平均長(zhǎng)1525 m,傾斜長(zhǎng)177 m,采高初步確定為3.8 m,產(chǎn)量4000 t/d,平均傾角為8°.根據(jù)011201工作面煤層賦存情況,確定采用走向長(zhǎng)壁后退綜合機(jī)械化采煤方法,全部垮落法管理頂板.

011201工作面回采期間供風(fēng)量為1895 m3/min,絕對(duì)瓦斯涌出量4.31 m3/min. 2014年3月工作面老頂初次來壓期間,上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖1所示.由圖1分析可知,2014年3月1日工作面開始回采后第18 d時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛扰噬?.96%左右,這種情況持續(xù)了15 d,而回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到了0.95%,影響了工作面的安全生產(chǎn).根據(jù)本煤層和鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果得到回采工作面瓦斯涌出量,回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量為24.32 m3/t,礦井回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為43.74 m3/min.

表1 五虎山煤礦主采煤層瓦斯基本參數(shù)

圖1 2014年3月份上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

2 工作面瓦斯流場(chǎng)分布規(guī)律研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面采場(chǎng)支撐應(yīng)力變化及工作面采動(dòng)應(yīng)力FLAC2D數(shù)值模擬,并結(jié)合裂隙分布規(guī)律的綜合研究與相互印證,得出如下研究結(jié)論:在垂向,工作面垮落帶范圍約為距本煤層頂板15 m以內(nèi),裂隙帶約為距本煤層頂板15～49 m范圍以內(nèi),厚度達(dá)6.0 m的砂頁巖為關(guān)鍵層,其上覆巖屬整體彎曲下沉帶;在傾向上,裂隙充分發(fā)育的范圍約為距回風(fēng)巷70 m.

利用FLAC2D數(shù)值模擬得到采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖2所示.對(duì)工作面的采動(dòng)瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

圖2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

(1)從瓦斯涌出源分析,上隅角瓦斯超限在很大程度上是由于工作面采動(dòng)影響引起上覆巖層裂隙發(fā)育,導(dǎo)致卸壓瓦斯涌入工作面.

(2)在走向方向上瓦斯?jié)舛入S距工作面推進(jìn)距離的增加而上升,即越深入采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍礁?且在遠(yuǎn)離工作面的采空區(qū),距進(jìn)風(fēng)巷越近瓦斯?jié)舛壬仙俾试礁?

(3)靠近工作面的采空區(qū)由于受到進(jìn)風(fēng)巷新鮮風(fēng)流沖刷影響,瓦斯?jié)舛容^低,且在距工作面50 m范圍以內(nèi)作用效果顯著;沿傾斜方向上瓦斯?jié)舛扔蛇M(jìn)風(fēng)巷到回風(fēng)巷一側(cè)逐漸升高,即采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著距進(jìn)風(fēng)巷距離的增加而緩慢上升,但深入采空區(qū)超過50 m范圍后新風(fēng)影響能力減弱,瓦斯?jié)舛壬仙俾瘦^快.

3 高位鉆孔布置工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)及抽采效果分析

根據(jù)高位鉆孔抽采瓦斯?jié)B流特性、采空區(qū)上覆巖層采動(dòng)冒落規(guī)律以及裂隙發(fā)育規(guī)律及分布范圍對(duì)頂板高位鉆孔方案及鉆孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖3所示.

圖3 工作面頂板走向高位鉆孔布置示意圖

(1)鉆場(chǎng).根據(jù)工作面頂板巖性合理確定其位置,如圖3所示,在回風(fēng)巷內(nèi)布置高位鉆場(chǎng),1＃鉆場(chǎng)布置于超前工作面60 m處,間隔40 m布置2＃鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)尺寸為5 m×4 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高),且以2＃鉆場(chǎng)為基準(zhǔn),在回風(fēng)巷內(nèi)每隔40 m施工一個(gè)相同參數(shù)的鉆場(chǎng).

(2)法距(高位鉆孔層位控制范圍).每個(gè)鉆場(chǎng)根據(jù)采動(dòng)裂隙分布情況施工9個(gè)高位鉆孔,按照法距可劃分為3個(gè)上分層鉆孔,終孔位置位于9＃煤層頂板距鉆場(chǎng)垂高30 m處;3個(gè)中分層鉆孔,終孔位置位于10＃煤層頂板距鉆場(chǎng)垂高26 m處;3個(gè)下分層鉆孔,終孔位置位于10＃煤層底板距鉆場(chǎng)垂高23 m處.

(3)鉆孔平距(傾向分布范圍).即鉆孔終孔位置在工作面的水平投影與鉆場(chǎng)(或回風(fēng)巷)的距離,每個(gè)鉆場(chǎng)的1＃、4＃、7＃鉆孔為10 m,2＃、5＃、8＃鉆孔35 m,3＃、6＃、9＃鉆孔為60 m.鉆孔直徑為113 mm,且相鄰鉆場(chǎng)間鉆孔壓茬距離不小于50 m.

以現(xiàn)場(chǎng)5＃鉆場(chǎng)1＃鉆孔和12＃鉆場(chǎng)6＃鉆孔抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示.

圖4 鉆孔與工作面推進(jìn)的時(shí)空關(guān)系

011201工作面采用走向高位鉆孔治理上隅角瓦斯取得顯著成果,工作面回采推進(jìn)至鉆孔控制范圍時(shí)瓦斯抽采濃度最高可達(dá)14%,平均為5.16%,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽采純瓦斯流量平均為5 m3/min,滿足工作面4.31 m3/min絕對(duì)瓦斯涌出量的治理要求.且在工作面回采期間,利用礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)工作面、上隅角、后部刮板輸送機(jī)和總回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè),其瓦斯?jié)舛茸畲笾惦S回采時(shí)間變化曲線如圖5所示,采用高位鉆孔抽采瓦斯措施后工作面瓦斯?jié)舛仍?.45%以下,總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.5%以下,有效地解決了上隅角及工作面瓦斯問題,保證了工作面的安全回采工作.

4 結(jié)語

(1)根據(jù)五虎山煤礦近距離煤層群的特點(diǎn),針對(duì)011201綜采工作面上隅角瓦斯問題,結(jié)合工作面煤層頂板賦存條件確定了工作面瓦斯問題是由于上覆巖層受采動(dòng)影響導(dǎo)致卸壓瓦斯涌入回采工作面及采空區(qū),引起上隅角瓦斯集聚.

(2)結(jié)合上覆巖層采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律對(duì)瓦斯治理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化.瓦斯抽采鉆場(chǎng)布置在工作面回風(fēng)巷中,鉆場(chǎng)間距為40 m(1＃鉆場(chǎng)超前工作面60 m),每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工9個(gè)鉆孔,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),鉆孔瓦斯抽采濃度平均為5.16%,使得工作面瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?解決了該礦工作面上隅角瓦斯問題.

圖5 工作面瓦斯?jié)舛扔^測(cè)曲線

[1] 王海鋒,程遠(yuǎn)平,沈永銅等.高產(chǎn)高效工作面頂板走向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008(2)

[2] 鄭艷飛,楊勝?gòu)?qiáng),張園園等.傾斜高抽巷瓦斯抽采在陽泉五礦的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2010(1)

[3] 李賢忠,朱傳杰,劉洋等.高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].煤礦工程,2010(6)

[4] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003

[5] 楊永良,李增華,侯世松等.高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化技術(shù)[J].煤礦安全,2012(11)

[6] 張曉磊,程遠(yuǎn)平,王亮等.煤與瓦斯突出礦井工作面頂板高位鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2014(10)

[7] 錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003

[8] 孫慶剛.中國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害現(xiàn)狀與防治對(duì)策研究[J].中國(guó)煤炭,2014(3)

Research on technology of gas extraction with high level boreholes in Wuhushan Mine

Dong Hongjuan,Wang Yan,Jiao Shuaipeng,Zhang Jinshan
(Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,China)

In order to solve the problem of 1201 working face top corner gas,on the basis of laboratory tests related to coal and rock mechanics parameters,the method that the combination way of theoretical analysis and numerical simulation is used to study the distribution and characteristics of overlying strata movement and damage,stress field of surrounding rock and gas flow fields.So the reasonable technology parameters was provided to the roof high level borehole layout scheme.The implementation of technical measures of gas extraction with high level boreholes ensures the safe recovery of the working face,and provides technical support for the high production and high efficiency of the mine.

high level boreholes,upper corner,gas extraction,crack distribution,gas flow field,gas control

TD712.62

A

董紅娟(1983-),女,遼寧省葫蘆島人,講師,在讀博士,主要研究方向?yàn)槊号c瓦斯協(xié)調(diào)開采。

(責(zé)任編輯 張艷華)

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(NJZY16163),內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016 MS0542),內(nèi)蒙古科技大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(S2016012705),內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016XYPYL02)