厚煤層覆巖裂隙分布模擬分析及采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

畢 猛

(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600)

礦井煤炭回采時(shí)存在諸多安全風(fēng)險(xiǎn)，特別是礦井開采厚煤層時(shí)，由于一次開采厚度大、采空區(qū)內(nèi)遺煤量多，采面瓦斯涌出量大，往往會引起瓦斯超限等問題[1-3]。煤壁瓦斯、落煤瓦斯、采空區(qū)瓦斯以及鄰近層瓦斯中，當(dāng)開采煤層為單一厚煤層時(shí)，采空區(qū)遺煤瓦斯往往是綜放開采時(shí)主要瓦斯涌出來源，高位瓦斯抽采是降低采空區(qū)瓦斯涌出的主要技術(shù)措施之一，該技術(shù)實(shí)施關(guān)鍵是掌握采動(dòng)覆巖裂隙擴(kuò)展分布以及卸壓瓦斯集聚范圍[4-5]。近些年來，眾多的學(xué)者以及技術(shù)人員對采動(dòng)覆巖裂隙分布以及卸壓瓦斯抽采技術(shù)展開研究，并取得豐碩成果[6-8]。在以往研究成果的基礎(chǔ)上，文章針對山西某礦30506綜放工作面開采情況，采用理論分析、數(shù)值模擬對采動(dòng)覆巖裂隙分布規(guī)律進(jìn)行探討，并依據(jù)分析結(jié)果提出使用低-中-高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，有效降低了采空區(qū)瓦斯涌出并為采面安全回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

山西某礦為高瓦斯礦井，3采區(qū)30502綜放工作面開采5號煤層，采面傾向長200 m、走向長1 890 m。5號煤層厚度12 m、傾角4.9°，頂?shù)装鍘r層巖性以泥巖、粉砂巖等為主，煤層埋深平均315 m，瓦斯原始含量為4.89 m3/t。5號煤層上覆4號、3號煤層，煤厚分別為0.35 m、0.27 m，不可采，瓦斯含量預(yù)計(jì)在2.7 m3/t以下，對5號煤層回采期間瓦斯涌出影響極小。

在30503綜放工作面回采之前，對開采的煤層進(jìn)行預(yù)抽，但是受到煤層透氣性差、吸附性強(qiáng)等因素制約，本煤層瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采濃度一般在10%以內(nèi)，抽采純量約為7.8 m3/min，抽采后煤層殘余瓦斯含量仍可達(dá)到3.95 m3/t以上，煤層中殘余瓦斯含量較高。煤層瓦斯預(yù)抽后，預(yù)測正?；夭善陂g30502綜放工作面回采期間瓦斯涌出量可達(dá)到21.3 m3/min，采面正常供風(fēng)量為1 800～2 050 m3/min，若僅通過采空區(qū)埋管方式降低采空區(qū)瓦斯涌出，回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角內(nèi)瓦斯?jié)舛冉咏R界值，給采面煤炭回采安全帶來較大威脅。

2 采面采空區(qū)覆巖裂隙分布特征分析

2.1 理論計(jì)算

煤炭開采后，采面上覆巖層垮落、下沉，會形成獨(dú)特裂隙擴(kuò)展形式，同時(shí)覆巖層穿層、離層裂隙互相貫通、交替發(fā)育，最終在采空區(qū)上覆巖層形成裂隙發(fā)育帶，在裂隙發(fā)育帶內(nèi)有大量的高濃度瓦斯。具體采空區(qū)覆巖裂隙帶見圖1。

30503綜放工作面開采的5號煤層平均厚度為12 m、傾角4.9°，頂板以粉砂巖、泥巖等為主，抗壓強(qiáng)度在40 MPa以內(nèi)，因此采面開采后采空區(qū)覆巖裂隙帶、垮落帶發(fā)育高度h1、h2可通過公式(1)、(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中:M為煤厚，m；δ為采空區(qū)丟煤充填厚度，m；kp為煤巖碎脹系數(shù)，無量綱。

根據(jù)30503綜放工作面煤層賦存以及開采特征，取M=12 m、δ=2.55 m、kp=1.3，帶入公式(1)、(2)中分別計(jì)算得到h1=135.4±10.42 m、h2=31.5 m。

圖1 采空區(qū)覆巖裂隙帶分布示意

2.2 模擬分析

2.2.1 裂隙發(fā)育分析

采用RFOA2D軟件對30503綜放工作面回采過程中采空區(qū)覆巖裂隙擴(kuò)展、演化規(guī)律進(jìn)分析，不同推進(jìn)距離時(shí)頂板裂隙擴(kuò)展情況見圖2。

圖2 不同推進(jìn)距離時(shí)頂板裂隙擴(kuò)展情況

從圖2看出，當(dāng)采面推進(jìn)至105 m時(shí)，出現(xiàn)3次周期來壓，覆巖垮落高度約為34 m，之后隨著推進(jìn)距離增加，垮落高度基本保持不變；當(dāng)推進(jìn)至150 m時(shí)采面出現(xiàn)第4次周期來壓，此時(shí)頂板裂隙擴(kuò)展至5號煤層頂板上覆約95 m位置；當(dāng)采面推進(jìn)至213 m時(shí)采面出現(xiàn)第7次周期來壓，此時(shí)頂板裂隙擴(kuò)展至5號煤層頂板上覆約103 m位置，后續(xù)隨著推進(jìn)距離增加，頂板裂隙擴(kuò)展高度基本保持不變。

從模擬結(jié)果看出，30503綜放工作面開采后，上覆巖層垮落帶高度約為34 m、約為5號煤層厚度的2.83倍；裂隙帶發(fā)育高度約為103 m，約為5號煤層厚度的8.58倍。

2.2.2 裂隙內(nèi)瓦斯分布分析

采空區(qū)覆巖不同高度瓦斯?jié)舛确植家妶D3。從圖中看出，在距離煤層頂板120 m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛仍诿簩禹敯甯矌r內(nèi)分布呈現(xiàn)增加趨勢，主要是由瓦斯密度相對于空氣密度較低導(dǎo)致，但是隨著與煤層頂板距離的增加，覆巖內(nèi)裂隙發(fā)育程度會有所降低；在縱向方向(采面—采空區(qū)方向)隨著采空區(qū)深度增加，覆巖上瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)降低趨勢，越靠近采面瓦斯?jié)舛仍礁?；在采空區(qū)內(nèi)深度約45 m時(shí)，采空區(qū)上覆巖層覆巖瓦斯?jié)舛容^低，主要是采空區(qū)漏風(fēng)使該區(qū)域內(nèi)瓦斯向采面內(nèi)運(yùn)移導(dǎo)致；采空區(qū)內(nèi)深度接近300 m時(shí)，覆巖裂隙基本被壓實(shí)，覆巖內(nèi)瓦斯?jié)舛燃眲〗档汀?/p>

圖3 采空區(qū)覆巖不同高度瓦斯?jié)舛确植?/p>

綜合分析采面開采后覆巖裂隙擴(kuò)展規(guī)律以及采空區(qū)覆巖內(nèi)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，確定高位瓦斯抽采鉆孔最佳高度為距離煤層頂板35～55 m范圍。抽采鉆孔與回風(fēng)巷間距會直接影響采空區(qū)瓦斯抽采效果。高位瓦斯抽采鉆孔與回風(fēng)巷水平距離選取依據(jù)工程類比法確定，將水平距離確定為20～60 m，后續(xù)可依據(jù)鉆孔瓦斯抽采效果對水平距離進(jìn)行優(yōu)化。

3 卸壓瓦斯抽采

3.1 瓦斯抽采鉆孔布置

高位瓦斯抽采鉆孔是降低采空區(qū)瓦斯涌出以及避免回風(fēng)上隅角瓦斯超限的主要措施。根據(jù)采面裂隙帶理論計(jì)算、模擬結(jié)果以及覆巖內(nèi)瓦斯?jié)舛确植寄M結(jié)果得出，將瓦斯抽采鉆孔終孔高度確定在5號煤層頂板上覆35～55 m范圍內(nèi)可取得較好瓦斯抽采效果。

采用低-中-高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，具體在回風(fēng)巷采面?zhèn)乳g隔80 m布置1個(gè)鉆場，在鉆場內(nèi)采空區(qū)方向施工12個(gè)抽采鉆孔，見圖4。鉆孔布置參數(shù)見表1。

回風(fēng)巷內(nèi)布置的鉆孔深度為4 m、寬度為4 m、高度為3.0 m，鉆場內(nèi)布置3排鉆孔，單排4個(gè)鉆孔，上排鉆孔、中排鉆孔以及下排鉆孔終孔距離煤層頂板距離分別為55 m、45 m、35 m；鉆孔水平錯(cuò)距10 m。抽采鉆孔孔徑均為113 mm，相鄰近兩鉆場內(nèi)鉆孔間有20 m壓茬距離。

圖4 瓦斯抽采鉆孔布置示意

3.2 瓦斯抽采效果

在30503綜放工作面采用高位瓦斯鉆孔進(jìn)行覆巖裂隙瓦斯抽采，并結(jié)合埋管降低采空區(qū)瓦斯涌出，現(xiàn)場測定的瓦斯抽采概況見表2。

對采面回采期間回風(fēng)巷及回風(fēng)上隅角位置瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測定，具體測定結(jié)果見圖5。從圖中看出，回風(fēng)巷以及回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛确謩e降至0.5%、0.6%以內(nèi)。采面其他位置瓦斯?jié)舛染?.4%以內(nèi)，風(fēng)排瓦斯量控制在6.3 m3/min以內(nèi)，為采面安全回采創(chuàng)造了良好條件。

圖5 瓦斯?jié)舛葴y定結(jié)果

4 結(jié) 語

1) 文中采用理論分析以及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對采面上覆巖層裂隙擴(kuò)展以及瓦濃度分布規(guī)律進(jìn)行探討，理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)5號煤層開采后垮落帶、裂隙帶高度分別為135.4±10.42 m、31.5 m；數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采面推進(jìn)至105 m(出現(xiàn)3次周期來壓)后，覆巖垮落高度基本穩(wěn)定在34 m，采面推進(jìn)至213 m(出現(xiàn)7次周期來壓)后覆巖垮落高度基本穩(wěn)定在103 m；采空區(qū)后方300 m以外覆巖裂隙基本被壓實(shí)，采空區(qū)靠近采面50 m范圍內(nèi)裂隙瓦斯?jié)舛入S著與采面距離縮小呈增加趨勢。

2) 結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬以及以往高位瓦斯抽采鉆孔布置經(jīng)驗(yàn)，確定將抽采鉆孔終孔布置在距離5號煤層頂板35～55 m范圍內(nèi)，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件對抽采鉆孔布置方案進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場應(yīng)用后，瓦斯抽采鉆孔抽采量可達(dá)到9.5 m3/min，采面后續(xù)回采期間回風(fēng)上隅角、回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛确謩e降至0.6%、0.5%以內(nèi)，瓦斯?jié)舛染诎踩秶鷥?nèi)，可滿足采面生產(chǎn)需要。