郭朝偉

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦)

高突礦井初采階段瓦斯治理技術(shù)研究

郭朝偉

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦)

高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井中的大采高綜采工作面回采期間容易在垮落帶和裂隙帶積聚瓦斯，由于初采期間頂板的不規(guī)則垮落，容易造成工作面及其回風(fēng)巷瓦斯超限事故。以東井區(qū)五盤區(qū)5303工作面為例，根據(jù)大采高綜采工作面的“三帶”形成規(guī)律，采取地面L型鉆井，定向鉆機(jī)施工多層位高位鉆孔，MK鉆機(jī)向工作面施工多層位鉆孔和強(qiáng)化抽采中位鉆孔等措施。結(jié)果表明：初采期間平均抽采量為13.54 m3/min，風(fēng)排瓦斯量由13 m3/min上升至最高29.98 m3/min，降低了采空區(qū)積聚瓦斯帶來的危害，論證了多層位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)的有效性，可為類似煤礦提供借鑒。

大采高綜采面 多層位鉆孔 垮落帶 裂隙帶 瓦斯治理

寺河煤礦礦區(qū)位于沁水煤田東南邊緣，儲量豐富，主采的3#煤層具有厚度大(平均煤厚6 m)、煤質(zhì)優(yōu)越、煤層不易自燃、無煤塵爆炸性等有利特點(diǎn)，礦井分東、西2個(gè)井區(qū)，均為煤與瓦斯突出礦井，其中東井區(qū)生產(chǎn)能力為420萬t/a，西井區(qū)生產(chǎn)能力為336萬t/a。經(jīng)鑒定，2015年度東井區(qū)絕對瓦斯涌出量為595.14 m3/min，相對瓦斯涌出量為70.91 m3/t；西井區(qū)絕對瓦斯涌出量為422.06 m3/min，相對瓦斯涌出量為62.95 m3/t。該礦綜采工作面采用大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，歷年來綜采工作面在初采期間均存在不同程度的瓦斯超限問題，究其原因主要是對初采期間采空區(qū)豎向“三帶”[1-3]積存瓦斯沒有采取積極主動的抽采防御措施，頂板大面積不規(guī)律垮落將冒落帶積聚的大量瓦斯瞬間壓出[4-5]，導(dǎo)致工作面及其回風(fēng)巷瓦斯超限事故時(shí)常發(fā)生。因此，針對采空區(qū)豎向“三帶”積存的瓦斯，必須研究并形成一套在初采期間主動防治瓦斯的措施體系。

1 工作面概況

東井區(qū)五盤區(qū)5303工作面走向長1 334 m，傾向長221 m，平均采高為6.3 m，煤層傾角為0°～10°，平均為3°；老頂為細(xì)粒砂巖，厚6.23 m；直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚3.45 m；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.6 m。工作面采用“三進(jìn)二回”通風(fēng)方式，區(qū)域配風(fēng)量為6 500 m3/min，主進(jìn)風(fēng)側(cè)配風(fēng)量為4 500 m3/min，工作面瓦斯涌出來源主要是本煤層賦存瓦斯和采空區(qū)積聚瓦斯，采空區(qū)瓦斯來源主要是下鄰近層(5#、7#煤)和采空區(qū)遺煤，其中鄰近層瓦斯涌出量占采面總瓦斯涌出量40%。

2 采空區(qū)豎向“三帶”高度的確定

2.1 理論計(jì)算

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動“豎三帶”理論及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[6]要求，結(jié)合寺河煤礦頂板覆巖性質(zhì)，確定東井區(qū)五盤區(qū)垮落帶和裂隙帶高度：

(1)

(2)

式中，Hm為垮落帶高度，m；ΣM為累計(jì)采高，m；Hli為裂隙帶高度，m。

5303工作面平均采高為6.3 m，綜合確定5303工作面垮落帶在煤層以上0～10.37 m，裂隙帶在煤層以上10.37～29.68 m，彎曲下沉帶在29.68 m以上。

2.2 數(shù)值模擬

采用通用離散元程序 UDEC進(jìn)行采場上覆巖層的“三帶”變化特征相似數(shù)值模擬試驗(yàn)[7-8]，參照相鄰礦井成莊煤礦對同等條件下5301工作面的模擬試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)工作面推進(jìn) 80 m時(shí) ，在煤層頂板鉛垂方向0 m以上處布置400個(gè)測點(diǎn)，觀測工作面推進(jìn)時(shí)煤層頂板的垮落情況，將數(shù)據(jù)從UDEC中提取出來，并繪制成曲線(圖1)。

圖1 工作面推進(jìn) 80 m左右時(shí)頂板的鉛垂位移曲線

由圖1可知，在煤層頂板上方0～9 m，頂板的鉛垂位移量為5.51～5.72 m，此區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則垮落帶；在煤層頂板上方9～17.2 m，頂板的鉛垂位移量為2.02～2.33 m，此區(qū)域?yàn)橐?guī)則垮落帶；在煤層頂板上方 18 m 處的鉛垂位移為0.885 m，較煤層頂板17.2 m處的鉛垂位移2.02 m減少56.2個(gè)百分點(diǎn)，表明煤層頂板18 m處巖層已經(jīng)斷裂下沉，但沒有隨著17.2 m處的巖層一起垮落，由此可確定在煤層頂板上方17.2～60.1 m為裂隙帶；在距煤層頂板上方61 m處的鉛垂位移為 0.179 m，較距煤層頂板60.1 m 處的鉛垂位移0.551 m減少67.5個(gè)百分點(diǎn)，并且在60.1 m以上鉛垂位移量都在0.551 m以下，下沉量很小，巖層沒有斷裂，只有微小的彎曲下沉，此區(qū)域?yàn)閺澢鲁翈А?/p>

2.3 “三帶”高度確定

通過比對分析及綜合寺河礦裂隙帶定向高位鉆孔的經(jīng)驗(yàn)可知，5303工作面采空區(qū)上覆巖層“三帶”高度為垮落帶17.2 m，裂隙帶17.2～60.1 m，彎曲下沉帶在60.1 m以上。在裂隙帶區(qū)域內(nèi)，距煤層18～20 m距離垮落帶較近，抽采管路系統(tǒng)易被堵塞；距煤層39～60.1 m裂隙發(fā)育不完全，抽采系統(tǒng)難以發(fā)揮其正常水平；距煤層20～39 m裂隙發(fā)育完全，抽采系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故適宜高位鉆孔抽采的裂隙帶在煤層頂板以上20～39 m。

3 瓦斯防治措施

經(jīng)模擬實(shí)踐研究，根據(jù)“三帶”高度及該類型綜采面初采推進(jìn)30 m左右老頂完全垮落情況，采取不同層位的裂隙帶抽采措施。

3.1 地面L型鉆井

初采前在5303上隅角側(cè)施工一個(gè)地面L型鉆井，立井段位于53033巷19#～20#橫川(19#橫川往東28.5 m)，距離53033巷南幫約10 m；水平井段距離53033巷南幫10～15 m，工作面切眼往西100 m；L型井位于煤層頂板往上17～27 m；終孔末端超過尾巷東幫約197 m，初采前投運(yùn)；水平段鉆孔孔徑為193 mm。5303地面L型鉆井軌跡示意見圖2。抽采目標(biāo)為上隅角區(qū)域，距離煤層頂板以上17～27 m，初采段層位為煤層頂板往上17～20 m，抽采垮落帶往上，裂隙帶靠下部區(qū)域。

圖2 5303地面L型鉆井軌跡示意

3.2 定向鉆機(jī)的多層位高位鉆孔

工作面切眼往外100 m上隅角側(cè)53032巷21#橫川處施工4個(gè)高位鉆孔，層位分別為頂板往上20 m(水平位于53033巷南幫往南33 m)、37 m(水平位于53033巷南幫往南50 m)、38 m(水平位于53033巷南幫往南51 m)、39 m(水平位于53033巷南幫往南52 m)，鉆孔孔徑為193 mm。高位鉆孔布置見圖3。抽采目標(biāo)為上隅角區(qū)域，距離煤層頂板以上20 m層位一個(gè)鉆孔，和L型鉆井基本處同一層位，水平相距10 m，強(qiáng)化該層位抽采效果，同時(shí)對預(yù)防L型鉆井塌孔導(dǎo)致失去該層位抽采效果發(fā)揮積極作用；并且對上隅角往南區(qū)域30～50 m和距離煤層頂板以上37～40 m層位布置3個(gè)，該層位借鑒相鄰工作面高位鉆孔抽采層位，該區(qū)域裂隙相對發(fā)育明顯，抽采效果較好。

3.3 MK鉆機(jī)的5303尾巷向工作面多層位鉆孔

3.3.1 尾巷高位孔

在尾巷施工7個(gè)高位孔，終孔距煤層頂板 48 m，鉆孔均勻布置，控制53033切眼推進(jìn)方向約50 m，控制53033巷南幫往南15～65 m，鉆孔孔徑為153 mm。尾巷高位孔布置見圖4。抽采目標(biāo)為上隅角區(qū)域初采段，距離煤層頂板以上15～48 m層位，鉆孔以煤層頂板往上15 m進(jìn)入采空區(qū)，以水平夾角34.5°往上延伸，水平段控制53033巷往南15～65 m，抽采裂隙帶瓦斯。

圖3 53032巷21#橫川高位鉆孔布置

圖4 尾巷高位孔布置

3.3.2 尾巷中位孔

在尾巷施工9個(gè)中位孔，終孔距煤層頂板 25 m，鉆孔均勻布置，控制53033切眼推進(jìn)方向約30 m，控制53033巷南幫往南45～100 m，鉆孔孔徑為153 mm。尾巷中位孔布置見圖5。抽采目標(biāo)為上隅角區(qū)域初采段，距離煤層頂板以上10～25 m層位，鉆孔以煤層頂板往上10 m進(jìn)入采空區(qū)，以水平夾角32°往上延伸，水平段控制53033巷往南45～100 m，抽采裂隙帶瓦斯。

圖5 尾巷中位孔布置

3.3.3 尾巷底板孔

在尾巷施工8個(gè)底板孔，位于底板以下，終孔距5#煤頂板約1.5 m，鉆孔均勻布置，控制53033切眼推進(jìn)方向約50 m，控制53033巷南幫往南整個(gè)工作面范圍，鉆孔孔徑為94 mm。尾巷底板孔抽采鄰近層瓦斯，減少瓦斯涌出，鉆孔布置見圖6。

3.3.4 尾巷穿透孔

在尾巷施工14個(gè)穿透鉆孔，均勻布置，其中奇數(shù)孔施工穿透切眼，終孔至切眼頂板以下0～500 mm；偶數(shù)孔施工至切眼煤層頂板以上5m，超過切眼西幫往推進(jìn)方向延伸10 m，往南控制整個(gè)工作面范圍，鉆孔孔徑為153 mm。尾巷穿透孔抽采偽頂、直接頂垮落后形成垮落帶孔洞內(nèi)的瓦斯，避免孔洞內(nèi)瓦斯積聚，同時(shí)控制采空區(qū)瓦斯流場，減少采空區(qū)瓦斯往工作面或上隅角方向流竄。鉆孔布置見圖7。

圖6 尾巷底板孔布置

圖7 尾巷穿透孔布置(單位：m)

3.4 53033巷強(qiáng)化抽采中位鉆孔

在53033巷切眼外第二個(gè)橫川(距離切眼約78 m 處)鉆場向切眼方向施工8個(gè)中位孔，終孔距煤層頂板25 m，均勻布置，控制53033巷南幫往南15～50 m，對上隅角區(qū)域進(jìn)行中位鉆孔強(qiáng)化抽采，鉆孔孔徑為153 mm。強(qiáng)化抽采中位孔布置見圖8。抽采目標(biāo)為上隅角區(qū)域初采段，距離煤層頂板以上0～25 m層位，以水平夾角26°往上延伸，水平段控制53033巷往南15～50 m，抽采裂隙帶瓦斯。

圖8 26#橫川強(qiáng)化抽采中位孔布置

4 瓦斯抽采效果分析

初采期間，5303區(qū)域每日最高平均風(fēng)排瓦斯涌出量為29.98 m3/min，平均風(fēng)排瓦斯涌出量為23.88 m3/min，平均日抽放純量為13.54 m3/min，為統(tǒng)計(jì)各抽放措施日抽放量與風(fēng)排瓦斯量，對此區(qū)域連續(xù)試驗(yàn)15 d，瓦斯量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由表1及實(shí)際初采期間礦井情況可知：

(1)利用MK鉆機(jī)在初采推進(jìn)范圍內(nèi)布置的中、高位鉆孔(尾巷高位孔和中位孔、26#橫川中位鉆孔)能有效抽采裂隙帶瓦斯，MK鉆機(jī)的中、高位鉆孔平均瓦斯抽采純量能夠達(dá)到5.54 m3/min；尾巷穿透鉆孔在抽采垮落帶孔洞積聚瓦斯中作用明顯，平均抽采純量能夠達(dá)到5.92 m3/min；L型鉆井和定向鉆孔隨推進(jìn)距離抽采范圍逐步擴(kuò)大，抽采量逐步提升，L型鉆井最高日抽1.68 m3/min， 千米高位鉆孔穩(wěn)定在2.5 m3/min左右，尾巷底板鉆孔穩(wěn)定在0.64 m3/min左右；初采期間平均抽采量為13.54 m3/min。

表1 5303工作面初采期間瓦斯量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)工作面抽采量增加時(shí)風(fēng)排瓦斯涌出量會有所下降，反之，抽放量降低時(shí)風(fēng)排瓦斯涌出量會有所增加，風(fēng)排瓦斯涌出量最高值和最低值相差16.98 m3/min，說明抽采措施能夠明顯降低采空區(qū)瓦斯。

(3)采取不同鉆孔將煤層頂板往上0～48 m進(jìn)行了有效控制，初采期間能夠充分抽采采空區(qū)裂隙帶和垮落帶瓦斯，初采期間未發(fā)生超過0.8%以上的瓦斯報(bào)警及斷電事故。

5 結(jié) 論

在大采高綜采工作面初采期間，采取多層位向采空區(qū)裂隙帶和垮落帶交叉布置鉆孔的抽采措施能夠明顯降低采空區(qū)瓦斯量和瓦斯?jié)舛?，避免了頂板大面積一次性垮落瞬間壓出瓦斯而導(dǎo)致瓦斯超限，大大提高了工作面初采期間的安全系數(shù)，保障工作面的安全生產(chǎn)，該綜合措施具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 梁運(yùn)培，文光才.頂板巖層“三帶”劃分的綜合分析法[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2000(5)：39-42.

[2] 王志強(qiáng)，李鵬飛，王 磊，等.再論采場“三帶”的劃分方法及工程應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(S2)：287-293.

[3] 張 軍，王建鵬.采動覆巖“三帶”高度相似模擬及實(shí)證研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014,31(2)：249-254.

[4] 付明明.頂板垮落對回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)三帶內(nèi)瓦斯運(yùn)移和爆炸影響的試驗(yàn)研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué),2012.

[5] 王家臣,王進(jìn)學(xué),沈 杰，等.頂板垮落誘發(fā)瓦斯災(zāi)害的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(1):8-12.

[6] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[7] 王志剛,黃 瑜,席朝東，等.基于UDEC分析確定采場上覆巖層“豎三帶”界限[J].山西煤炭,2016(1):35-37.

[8] 劉桂麗,楊躍奎,撒占友.高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012(4):450-458.

2016-10-08)

郭朝偉(1988—)，男，工程師，048205 山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)。