謝東海,張軒,尹紅球,蘇波,孟遠(yuǎn)

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南煤業(yè)集團嘉禾礦業(yè)有限公司,湖南 嘉禾 424506)

近年來,隨著礦井的開采深度增加,瓦斯治理的難度不斷加大,大傾角突出煤層群的安全高效開采是目前國內(nèi)外研究較少的難題,縱觀國內(nèi)外瓦斯研究的歷史,無論是理論研究還是現(xiàn)場實踐研究均取得了可觀的成果.閆浩[1]等利用UDEC軟件,以平煤十二礦為研究對象,研究了上保護層高瓦斯低透氣性煤層的開采問題,提出了采選抽充防的開采技術(shù),并將模擬與現(xiàn)場對比,研究表明,該技術(shù)提高了瓦斯抽采率,降低了瓦斯壓力.李曉疆[2]等以新疆某礦為研究對象,采用FLUENT軟件模擬優(yōu)化了工作面回風(fēng)巷高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù),現(xiàn)場實驗表明鉆孔優(yōu)化可有效降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?舒才[3]等以興隆煤礦為研究對象,建立數(shù)學(xué)模型,提出了參數(shù)確定方法,并將模型結(jié)果與現(xiàn)場研究進行對比,由此得到了鉆孔有效抽采瓦斯半徑與瓦斯抽采量的規(guī)律.段守德[4]等建立FLAC3D數(shù)值模型,以平煤八礦為研究對象,并將現(xiàn)場結(jié)果與模擬結(jié)果對比,當(dāng)出煤量在0.37～1.00 t/m時,煤孔的孔間距為5 m左右,此時煤體的卸壓效果可達到良好.張小濤[5]以東林煤礦為研究對象,研究了施工期間粉塵污染問題,采用鉆孔抽采瓦斯后又利用該孔進行煤層注水減塵,大大提高了降塵效率,減少施工量.朱麗媛[6]等以阜新某礦為研究對象,研究了瓦斯突出、沖擊地壓的轉(zhuǎn)化復(fù)合機理,結(jié)果是隨著瓦斯壓力的增大,工作面煤巖體的應(yīng)力反而減小.張友誼[7]等以平煤八礦為研究對象,建立灰色關(guān)聯(lián)模型,研究煤與瓦斯突出預(yù)測準(zhǔn)確率問題,將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際相比較,結(jié)果表明該模型的正確性與適用性.馬孝富[8]等以蛇形山煤礦2341工作面為研究背景,研究了大傾角煤層群下保護層工作面風(fēng)巷本煤層高位鉆孔采空區(qū)瓦斯抽采,基本解決瓦斯超限問題.文獻[9]針對急傾斜本煤層下保護范圍工作面具有“三高二低”(傾角較高、瓦斯壓力高、瓦斯含量高,井型偏低、瓦斯抽采效率低)的生產(chǎn)地質(zhì)特征,研究了急傾斜煤層工作面下保護范圍的有效距離,說明在該類煤層中上部工作面開采后可以給下部工作面開采帶來6～10 m的卸壓區(qū)域條帶.防治煤與瓦斯突出細(xì)則[10]中規(guī)定了在實行保護層區(qū)域開采技術(shù)措施時,除了解決保護層工作面的瓦斯問題外,還應(yīng)對被保護層的瓦斯進行抽采;目前在解決突出煤層的回采工作面開采過程中的瓦斯抽采方法,一般采用本煤層中實施順層扇形、平行等鉆孔抽采、交叉鉆孔抽采等,這些方法不同程度出現(xiàn)鉆孔工程量大,抽采過程中易出現(xiàn)單孔負(fù)壓值低,瓦斯抽采效率低,工作面上隅角瓦斯超限等問題;在解決被保護層瓦斯問題上,實踐過程中也出現(xiàn)被保護層的瓦斯通過裂隙在保護層工作面涌出,至上隅角出現(xiàn)瓦斯超限問題,規(guī)程規(guī)定應(yīng)該對被保護層進行瓦斯抽采,也存在瓦斯鉆孔工程量大,在保護層工作面回風(fēng)巷施工鉆孔影響保護層工作面的正常生產(chǎn),且在保護層工作面開采后,就不能對被保護層瓦斯進行抽采等,形成了保護層工作面開采后的重大安全隱患,如此多的問題以及大傾角突出煤層群保護層工作面瓦斯治理問題,是現(xiàn)場亟待解決的工程技術(shù)問題.

1 理論研究

“大傾角煤層”這一概念在我國的使用[11],主要是受國際上主要產(chǎn)煤國的影響而引入我國的;國際主要產(chǎn)煤國將煤層按傾角分成4類:0°～18°為緩斜煤層,19°～34°為傾斜煤層,35°～55°為大斜或陡斜煤層,56°～90°急斜煤層,這些主要是考慮煤層應(yīng)用機械化開采時對于不同傾角類別煤層采取相應(yīng)技術(shù)措施;而我國目前還是分3類煤層:0°～25°為緩傾斜煤層,25°～45°為傾斜煤層,45°～90°為急傾斜煤層,這是我國建國以來應(yīng)用機械化技術(shù)上所做的規(guī)定,當(dāng)時僅限于45°以下煤層中使用機械化技術(shù);隨著我國機械化技術(shù)的不斷開發(fā)和應(yīng)用,我國已經(jīng)在45°以上煤層應(yīng)用了機械化技術(shù)進行多年開采,對煤層開采傾角的分類在我國煤炭開采工程與學(xué)術(shù)界尚無統(tǒng)一定義,大多數(shù)學(xué)者與工程技術(shù)人員傾向于將35°～55°煤層稱為大傾角煤層,且在許多國內(nèi)外研究成果上有所反映.

大傾角突出煤層群的開采,按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》是以進行區(qū)域防護措施為主,局部措施作為補充.在此主要以區(qū)域措施-保護層開采技術(shù)為主,對于瓦斯治理就是在進入?yún)^(qū)域之前必須做出相應(yīng)的瓦斯抽采巷道,對煤層群進行瓦斯抽采達標(biāo)后再進入煤層.本文僅對保護層工作面開采過程中瓦斯如何治理進行研究,考慮到保護層工作面開采前的穿層鉆孔抽采存在盲區(qū),保護層開采工作面開采過程中,為確保保護層工作面安全高效開采,尚需對部分盲區(qū)采取本煤層抽采瓦斯,其主要方法有:順層鉆孔,扇形鉆孔,交叉鉆孔.由于保護層開采,特別是首個保護層開采時,受被保護層煤層瓦斯的影響,使保護層工作面按照這些方法施工難于達到要求,一是經(jīng)常出現(xiàn)保護層工作面上隅角瓦斯超限問題,二是由于被保護層煤層在保護層開采后由于保護層工作面頂板裂隙發(fā)育到被保護層煤層,被保護層瓦斯沿裂隙進入保護層工作面,導(dǎo)致保護層工作面瓦斯出現(xiàn)超限問題等.為了尋求大傾角高瓦斯或突出煤層的瓦斯抽采技術(shù),首先考察目前對于傾斜煤層工作面的瓦斯治理進行研究,傾斜煤層開采過程中的瓦斯治理在工程中一般采用兩種途徑:第一種是利用保護層工作面頂板巖層裂隙帶進行瓦斯抽采,如高位瓦斯巷抽采;第二種是在頂板裂隙巖層中實行真正意義的高位鉆孔抽采,較好地解決了瓦斯問題.但對大傾角煤層群的瓦斯如何治理有待進一步的研究,首先要研究大傾角巖層冒落及移動規(guī)律和大傾角煤層瓦斯運移的基本規(guī)律,其次要研究大傾角煤層工作面頂板冒落帶和裂隙帶發(fā)育高度.

1.1 大傾角巖層冒落及移動規(guī)律和瓦斯運移的基本規(guī)律研究

已有大傾角突出煤層的開采研究[12-15]表明,大傾角突出煤層工作面除按照防治煤與瓦斯突出細(xì)則進行開采以外,還有其特殊性,首先是大傾角煤層的礦山壓力普遍比緩傾斜和傾斜煤層工作面的要小,且出現(xiàn)工作面上、中、下部的礦山壓力不一致,同時,出現(xiàn)工作面上部的礦壓顯現(xiàn)較下部的礦壓顯現(xiàn)大;其次是在大傾角煤層開采過程中出現(xiàn)跨落頂板向下滑移的特征,對工作面采空區(qū)下部構(gòu)成充填;第三是在大傾角煤層工作面開采過程中由于瓦斯的擴散運移和重力運移作用,經(jīng)常出現(xiàn)上隅角瓦斯超限的問題,甚至出現(xiàn)大傾角煤層工作面頂板巖層裂隙帶的瓦斯純度高、瓦斯量大等特點;第四是大傾角煤層一旦出現(xiàn)地質(zhì)條件的變化(特別是斷層和皺曲),給工作面開采過程中帶來較大的困難.

1.2 大傾角煤層工作面頂板巖層“三帶”研究

由礦壓理論可知,當(dāng)工作面推進后,在工作面煤層頂板巖層中出現(xiàn)“豎三帶”(冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)的礦壓顯現(xiàn),在研究該類煤層瓦斯治理時,主要考慮到煤層頂板裂隙帶所儲存的大量瓦斯,而現(xiàn)有的工程做法是在工作面回風(fēng)巷中向采空區(qū)實施鉆孔,進行瓦斯抽采,但隨著工作面的推移還有許多瓦斯不能及時抽走,給工作面生產(chǎn)帶來較大的隱患.為此,我們研究了一種大傾角突出煤層工作面頂板巖層高位中小鉆孔瓦斯抽采方法,同時抽采保護層本煤層工作面采空區(qū)后方30～50 m范圍的瓦斯及被保護層裂隙涌出的瓦斯,確保保護層工作面的生產(chǎn)安全.

根據(jù)三下壓煤開采規(guī)程[16]給出的大傾角煤層(35°～54°)工作面開采后頂板巖層冒落帶高度、裂隙帶高度等計算公式,分別計算工作面頂板巖層冒落帶、裂隙帶最大高度.具體如下.

頂板巖層冒落帶最大高度計算公式:

(1)

頂板巖層裂隙帶最大高度計算公式:

(2)

式中:H1,H2為冒落帶、裂隙帶高度,m;M為煤層采高,m.

由于蛇形山煤礦Ⅳ煤的煤厚平均為1.95 m,將此數(shù)據(jù)分別代入式(1)和式(2)中,計算得到冒落帶的最大高度為6.92 m,是工作面煤層實際采高的3.55倍;裂隙帶的最大高度為8.82 m,是工作面煤層實際采高的4.52倍.除了進行計算外,在現(xiàn)場應(yīng)進行各帶的注水試驗,根據(jù)注水體積分?jǐn)?shù)的變化,最后確定兩帶的實際高度.

2 工程概況

2.1 礦井基本情況

湘煤集團蛇形山煤礦,年產(chǎn)30萬t/a,為湖南省優(yōu)質(zhì)無煙煤生產(chǎn)基地之一.礦井共含煤7層,主采Ⅳ煤,煤厚0～8.7 m,平均1.95 m,煤層變異系數(shù)52%,煤層傾角25°～53°,平均為46°.礦井一直堅持開采保護層方法進行區(qū)域瓦斯治理,在礦井一水平采用開采Ⅲ煤來保護Ⅳ煤的上保護層開采的方式,由于Ⅲ煤的瓦斯參數(shù)高于Ⅳ煤的瓦斯參數(shù),當(dāng)?shù)V井進入二水平后,則采用開采Ⅳ煤保護Ⅲ煤的下保護層開采的方式.

2.2 試驗工作面情況

試驗地點選取考慮礦井的生產(chǎn)采掘部署,確定在蛇形山煤礦23采區(qū)Ⅳ煤層2344工作面.下面為該工作面的具體情況.

1)工作面地理位置:2344工作面位于蛇形山煤礦23采區(qū)二水平Ⅳ煤第二個工作面,工作面機巷標(biāo)高為-203 m,風(fēng)巷標(biāo)高為-158 m.工作面傾向長為100 m,走向長為420 m.

2)煤層賦存情況:從2344機、風(fēng)巷掘進得知:Ⅳ煤層賦存較為穩(wěn)定,Ⅳ煤層厚度在1.6～2.0 m,Ⅳ煤層賦存的傾角是40°～60°,其平均傾角是45°.

3)煤層瓦斯參數(shù):2008年9月,在2344瓦斯巷西翼-193 m水平對煤層進行測壓及有關(guān)參數(shù)進行測定四煤層瓦斯壓力為3.0 MPa,瓦斯含量為25.7 m3/t.

4)2011年1月,礦上瓦斯隊在2344工作面測出的絕對瓦斯涌出量是2.68 m3/min,其中在采空區(qū)及鄰近煤層中測定的絕對瓦斯涌出量為2.01 m3/min,本煤層絕對瓦斯涌出量是0.67 m3/min,說明2344工作面的絕對瓦斯涌出主要來源于該工作面的采空區(qū)和有裂隙帶聯(lián)通的鄰近煤層(被保護層Ⅲ煤).上行U型通風(fēng),風(fēng)量為620 m3/min,在實驗之前,回采工作面的瓦斯治理一直是利用風(fēng)巷尾巷+氣室的方式進行瓦斯抽放,但一直效果較差.

3 瓦斯抽采高位鉆場、鉆孔布置與施工

根據(jù)上述礦山壓力理論中裂隙帶的計算,最終確定高位鉆場布在2344工作面頂板巖層中,且距回風(fēng)巷的水平距離為17 m,此處距四煤層的法向距離為11.2 m,距Ⅲ煤層的水平距離為9.72 m.

采煤工作面采后瓦斯高富集區(qū)一般在工作面后方采空區(qū)30～50 m的地方,其抽采方法采取頂板巖層裂隙帶抽采瓦斯,在大傾角煤層的回風(fēng)巷向煤層頂板15 m以上水平距離的巖層中布置鉆場,每個鉆場相隔的距離在150～200 m,鉆場與鉆場之間必須要有20 m以上的重疊,確保上一個鉆場抽采完畢之前,由下一個鉆場進行接替,其鉆孔參數(shù)(傾角和方位角)均同上一個鉆場的鉆孔參數(shù),鉆場內(nèi)的5個鉆孔采取鉆場五花眼的布置方式,鉆孔直徑為Ф70 ～105 mm;每個鉆孔用軟管與礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的管道相連,且在軟管處測定瓦斯參數(shù)(瓦斯流量、瓦斯?jié)舛?、抽采純量和抽采?fù)壓等);實現(xiàn)了煤層頂板巖層真正意義上的高位中小直徑(Ф70～105 mm)鉆孔的瓦斯抽采.具體2344工作面瓦斯抽采的高位鉆場、高位鉆孔的平面圖和剖面圖分別見圖1～圖3.

1-大傾角煤層;2-2344工作面運巷;3-2344工作面風(fēng)巷;4-2344工作面;5,6-鉆場;7-頂板冒落帶;8-頂板裂隙帶;(1)～(5)為鉆場中鉆孔編號

圖1 2344工作面高位鉆場、鉆孔布置平面

圖2 2344工作面高位鉆場、鉆孔布置走向剖面

圖3 2344工作面高位鉆場、鉆孔布置傾斜剖面

相比傾斜煤層和緩傾斜煤層的大直徑(Ф300 mm以上)走向鉆孔,大傾角煤層進行的瓦斯抽采是在每個鉆場中施工5個左右的中小直徑(Ф70～105 mm)鉆孔,其鉆孔施工效率高,可以加快施工速度60% 以上,瓦斯抽采濃度可達99.9% 以上,瓦斯抽采效率明顯得到提高,本質(zhì)上解決了大傾角突出煤層群工作面上隅角瓦斯超限問題,還能解決大傾角突出煤層群工作面采空區(qū)后方一定范圍內(nèi)高瓦斯聚集區(qū)的瓦斯抽采問題;同時,大傾角突出煤層群保護層開采時,一定程度上攔截了被保護層卸壓瓦斯,創(chuàng)新了中小型礦井瓦斯治理的工程技術(shù),也是一項新的適用技術(shù).

圖1～圖3中顯示,在每個鉆場中均布5個鉆孔(編號分別為1#～5#),每個鉆孔的傾角和方位角各有不同,其中3#鉆孔為水平布置,1#鉆孔和2#鉆孔采取水平上向布置方式,即布在3#鉆孔的上部,分別向鉆場兩邊以一定的傾角和方位角向頂板巖層上方進行施鉆,4#鉆孔和5#鉆孔采取水平下向布置方式,即布在3#鉆孔的下部,分別向鉆場兩邊以一定的俯角和方位角向頂板巖層下方進行施鉆.鉆孔由鉆場位置沿頂板巖層向工作面開切眼上方進行施工,施工到距離開切眼10 m左右即可,如此,施工一個120 m的鉆孔一個大班就能完成,這樣5個鉆孔也就5 d能施工完畢,比高位巷和大直徑鉆孔的施工速度快出40%～70%.當(dāng)5個鉆孔全部施工聯(lián)網(wǎng)后,即可進行瓦斯抽采.

考慮斜角的計算公式,分別計算出每個鉆孔的終孔標(biāo)高.

H=Lsina.

(3)

式中:a為傾角,(°);H為高程,m;L為鉆孔長度,m.

2344工作面高位鉆孔的參數(shù)見表1所示.

表1 2344工作面高位鉆孔參數(shù)表

鉆孔施工及冒落帶、裂隙帶的確定:在鉆場底板標(biāo)高以上1.3 m作為施鉆地點,根據(jù)Ⅳ煤層走向、傾角施工鉆孔,每個鉆場施工鉆孔5個.當(dāng)鉆孔打完后,即刻注水進行冒落帶和裂隙帶的分界驗證,若注水的體積分?jǐn)?shù)在10% 以上時,鉆孔終端所處范圍為煤層頂板冒落帶;在注水的體積分?jǐn)?shù)達10%以下時,則該區(qū)域為煤層頂板裂隙帶.

4 高位鉆孔抽采瓦斯效果檢驗

待鉆孔施工完畢,則連接礦井瓦斯抽采管路進行瓦斯抽采,具體每個鉆場的各鉆孔瓦斯參數(shù),采取相關(guān)儀器設(shè)備進行測試確定.鉆孔抽采瓦斯參數(shù)從2011年12月16日開始,到2012年1月4日截止,主要是檢測抽采管道內(nèi)的瓦斯參數(shù)(瓦斯流量、瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞亢统椴韶?fù)壓等),所使用的檢測儀器為CZJ70瓦斯抽放綜合參數(shù)測定儀.所測參數(shù)分別見圖4～圖6所示,其中,圖5中所有鉆孔中除4#鉆孔打在了冒落帶,其抽采瓦斯?jié)舛葍H為15%～50%,其他鉆孔的瓦斯抽采濃度都較高,1#，2#鉆孔一直是99.9%,3#,5#鉆孔的80%～90%以上.

如圖4所示,1#鉆孔和2#鉆孔瓦斯流量開始時只有0.3～0.4 m3/min,隨著工作面的推進,其瓦斯流量迅速達到0.7～0.8 m3/min,其余鉆孔的瓦斯流量均為0.6 m3/min以上.但2#鉆孔于2011年12月28日出現(xiàn)0.298 m3/min,說明抽采管路受到損壞.3#鉆孔抽采流量比較穩(wěn)定,達到0.60～0.75 m3/min附近.4#,5#鉆孔抽采流量較高,達到0.76～0.80 m3/min,效果較好.

圖4 鉆孔抽采瓦斯流量變化曲線

圖5中顯示,1#鉆孔和2#鉆孔的瓦斯?jié)舛染鶠?0%～99.9%,說明這些鉆孔的孔底均落在預(yù)先設(shè)計的裂隙帶內(nèi).3#，5#鉆孔瓦斯?jié)舛绕鸱^大,但后期監(jiān)測數(shù)據(jù)達到90%以上;4#鉆孔的瓦斯?jié)舛染陀?0%,該鉆孔孔底落在冒落帶內(nèi),此為今后高位鉆孔施工時應(yīng)該注意的.

圖5 鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓€

圖6中顯示,5個高位鉆孔抽采的瓦斯純量曲線的變化規(guī)律基本與各鉆孔的瓦斯流量變化規(guī)律相一致,只是4#鉆孔抽采的瓦斯純量較低,進一步反映了該鉆孔的孔底落在了冒落帶內(nèi).

圖6 鉆孔瓦斯純量曲線

采用工作面頂板巖層高位鉆場鉆孔抽采瓦斯后,工作面的風(fēng)量為620 m3/min降低到300 m3/min,有效節(jié)省通風(fēng)工程的成本.

5 主要結(jié)論

1)大傾角突出煤層群瓦斯治理采用工作面頂板巖層裂隙帶高位中小鉆孔抽采技術(shù),其抽采瓦斯量和瓦斯?jié)舛容^實驗前顯著增大,達到80%以上,改變了大傾角煤層群工作面瓦斯在本煤層抽采的方式,創(chuàng)新了瓦斯抽采模式.

2)大傾角煤層群保護層工作面開采過程中的瓦斯治理不局限在本煤層,可以采用本煤層以外巖層的方式進行,利用工作面頂板巖層裂隙帶進行瓦斯抽采,更有利于保護層工作面后方采空區(qū)瓦斯和被保護層裂隙瓦斯的抽采時間.

3)工作面頂板巖層裂隙帶高位中小鉆孔抽采技術(shù)在工作面頂板巖層中進行鉆場鉆孔施工,不在工作面內(nèi)進行,由此,可以采取這種瓦斯治理方式,創(chuàng)新了瓦斯抽采和工作面煤層開采互不干擾的生產(chǎn)方式.

4)工作面頂板巖層裂隙帶高位中小鉆孔抽采技術(shù)在2344工作面的實驗,高位鉆孔施工難度顯著減小,施工速度明顯提高,且工作面風(fēng)量由原來的620 m3/min降低到300 m3/min,節(jié)省大量的通風(fēng)工程成本,表明該技術(shù)是一項安全可靠高效的瓦斯治理技術(shù).