兰花宝欣煤业高位钻孔抽放采空区瓦斯技术研究

张吉昌

(山西古县兰花宝欣煤业有限公司,山西 临汾 042405)

1 工程概况

兰花宝欣煤业3207综采工作面设计为一进一回“U”型通风系统,煤层平均厚2.06 m,普氏系数f=2.0,煤层瓦斯含量6.32～7.56 m3/t,煤层层理中等发育,工作面采用综采开采工艺、全部垮落法管理顶板。3号煤层综采工作面处于瓦斯带内,煤层瓦斯含量呈现不规律、波动变化幅度大等特征,回采期间通过调整通风量的方式来稀释和排放瓦斯。由于采空区内瓦斯通过裂隙向回采面和上隅角涌出,造成上隅角瓦斯超限,影响工作面的安全生产。因此,3207综采工作面回采期间瓦斯治理的重点为防治上隅角瓦斯超限,为避免出现上隅角瓦斯频繁超限的问题展开相关研究。

2 上隅角瓦斯防治技术分析

上隅角瓦斯超限的主要治理措施为埋管抽放、走向高抽巷抽放、走向高位钻孔抽放[1]。采用顶板高抽巷施工工期长、成本高,影响采掘接替,且投入成本高,对于集约化矿井推广性较差;同时高抽巷受顶板垮落结构影响显著,抽采效果不稳定,因此不考虑采用该种工艺。顶板走向高位钻孔抽放采空区瓦斯是一种高效、经济的工艺,在3207工作面回采期间,若遇到后方采空区瓦斯涌入工作面或回风巷,引起工作面上隅角和回风巷风流瓦斯上升至0.5%以上,用通风方式无法有效解决的情况下,优先考虑使用该方法解决回风巷风流和上隅角瓦斯超限。在使用高位钻孔抽采采空区垮落带、裂隙带内瓦斯仍然无法解决上隅角瓦斯超限的情况下,使用上隅角埋管抽放方式解决上隅角瓦斯。

3 工作面采场覆岩相关区带划分

3.1 竖三带分布特征

煤层开采后,由于煤炭被开采运出,形成一个空间,煤层的覆岩顶板在自身的重力作用随着煤层工作面的推进,会产生垮落、断裂、下沉,顶板覆岩首先发生断层破裂,在重力的作用下裂隙越来越大,破坏了原有的平衡,导致覆岩的伪顶和老顶发生离层或垮落,受采动影响导致垮落的岩体填充采空区,被压实,重新达到平衡。根据上覆岩层内裂隙发育程度,至下而上分别为垮落带、断裂带和弯曲下沉带[2],如图1所示。

图1 “三带”示意

1) 垮落带。垮落带内岩层垮落,呈破碎状堆积在采空区,孔隙率和渗透率成级数倍增加。区域内岩层在局部(两侧临近“砌体梁”结构处、局部结构支撑处)离层发育明显,但是突变很大,不稳定,区域内瓦斯浓度相对较低。根据上覆岩性的特征,煤层倾角以及采空区顶板管理方法等,按坚硬岩层来计算3207工作面垮落带高度[3]:

(1)

兰花宝欣煤业3207工作面开采煤层厚度为2.06 m,根据公式得出垮落带的高度范围Hm=7.63～12.62 m,平均高度为10.13 m.

2) 断裂带。断裂带是采空区上方一定高度范围内的岩体发生冒落后,其上覆岩层将以梁或者悬臂梁的形式在层理面法线方向上发生比较大的弯曲和移动破坏,导致岩体内部出现大量离层裂隙以及与岩层垂直或斜交的裂隙,通称裂隙带或者断裂带,该区煤岩层破断后,不会大面积垮落,脱离上部岩层,而是以整齐划区的方式排列在一起,岩块之间还是一个整体,只是裂隙较原始岩层有大幅提高;裂隙带内岩层离层和穿层裂隙随着周期来压向上发育并相互贯通,形成瓦斯运移及汇聚的裂隙网络。3号煤层老顶主要以砂岩为主,根据岩石岩性等因素对裂隙带高度的影响,可采用以下公式按坚硬岩性计算裂隙带Hl的高度。

(2)

计算得出裂隙带的高度范围Hl=37.16～54.96 m,平均高度为46.06 m.结合以上垮落带高度可知裂隙带平均高度应该在10.13～46.06 m范围内。

3) 弯曲下沉带。弯曲下沉带位于裂隙带之上,该部分岩层整体产生弯曲下沉,但其弯曲变形量较小,该部分岩体一般可以较好地保持其原有的完整性结构,不会产生相互连通的裂隙网络,区域内没能与采空区瓦斯通道连接,瓦斯抽采浓度较低。

3.2 横三区特征及划分

采用垮落法管理采空区顶板时,工作面回采一定距离后,采空区中部由垮落的破碎煤岩体充填完毕,在上覆岩层压力作用下逐步压实,导致该部分煤岩体内的裂隙闭合,在采空区中部区域形成“重新压实区”,采空区四周边界附近形成“O”型圈[4],如图2所示,“O”型圈为瓦斯的解吸、运移、赋存提供良好条件。

图2 导气裂隙带“O”型圈

为了能与理论计算结果形成相互验证及更加精准地判断采空区“O”形圈宽度,采用FLAC3D计算机数值模拟软件,对三维情况下3207工作面开采时上覆岩层破坏后所形成的“O”形圈分布情况进行模拟,结果如图3所示。

图3 三维数值模拟结果

根据上述研究结果:高位定向钻孔的布置层位在10.13～46.06 m范围内,因此,选取工作面推进至400 m时,沿X-O-Y平面对其20 m、30 m、40 m三个层位的位移图进行切片,结果如图3所示,采空区中部下沉量达到2.06 m,表明该区域上覆岩层已与煤层底板接触,形成重新压实区,采空区水平方向形成了“O”型圈。“O”型圈在靠近工作面的平面上达到最大值,而随着和煤层工作面垂直距离的增大,逐渐呈现减小的趋势,这和煤岩体的卸压角演化规律密切相关。同时,根据工作面不同推进距离下各层位位移切片云图,采空区覆岩跨落后所形成的“O”型圈裂隙带的宽度大致在26～39 m之间。

4 高位定向钻孔设计及应用效果分析

4.1 高位钻孔方案设计

基于顶板高位抽采钻孔的布置原理可知,抽采技术的应用效果主要取决于钻孔层位的合理布置,当抽采钻孔布置在顶板裂隙带内时,通过抽采负压能够实现将裂隙带内高浓度瓦斯有效抽出的目的。根据以上“竖三带”高度经验计算,3207工作面裂隙带最大发育高度10.13～46.06 m,顶板高位钻孔理论计算的合理层位为距煤层顶板10.13～46.06 m之间。根据数值模拟结果,采空区覆岩跨落后所形成的“O”型圈裂隙带的宽度大致在26～39 m之间,结兰花梁煤矿的具体情况,高位钻孔距离巷帮平距10～40 m之间较为合理。根据理论计算结果,同时考虑试验不同层位钻孔瓦斯抽采效果,对3207工作面1号钻场的高位定向钻孔的参数进行设计,钻场布置于工作面里程600 m处,钻场内设计施工5个高位钻孔,层位为煤层顶板以上11～38 m,距回风巷帮17～37 m,其中垮落带布置1个钻孔1-2号,裂隙带布置4个钻孔1-1号、1-3号、1-4号、1-5号,设计钻孔孔径153 mm,钻孔长度234～348 m,如图4所示。

图4 1号钻场各钻孔布置平剖图

4.2 高位钻孔抽采效果分析

在理论研究和数值模拟的基础上,利用1号钻场的定向钻孔,观测不同层位钻孔在工作面回采过程瓦斯抽采流量及浓度的变化,从而确定采场裂隙带高度和高位定向钻孔的合理层位。1号钻场服务期间,各高位定向钻孔抽采瓦斯浓度随时间变化规律如图5所示。

图5 1号钻场高位定向钻孔瓦斯抽采效果

1号钻场的1-2号、1-3号钻孔在联抽初期,单孔最大瓦斯抽采浓度分别达到了14%和45%,但随着工作面推进,其抽采效果急剧下降到较低水平,单孔抽采浓度基本保持在0.2%～3%之间,单孔平均纯量仅有0.02～0.30 m3/min,故分析这2个钻孔终孔层位处于顶板垮落带岩层内,钻孔随工作面推进而随垮落带岩石垮断,不适合布置高位定向钻孔进行瓦斯抽采,顶板垮落带最大高度在20 m左右,高位钻孔垂直方向合理布置层位为20～40 m,水平布置位置为距巷道轴线15～40 m.1号钻场5个钻孔服务期间平均抽采浓度为5.43%,总的平均抽采纯量为2.83 m3/min.高位钻孔投入使用后,3207工作面上隅角瓦斯浓度基本稳定在0.2%～0.4%之间,未出现超限情况,实现了工作面的安全高效生产。

5 结 语

以兰花宝欣煤业3207工作面为例,确定上隅角瓦斯防治以“高位钻孔抽采为主、上隅角埋管抽采为辅”的模式,数值模拟研究确定高位钻孔水平方向应布置在26～39 m范围内,抽采效果良好,上隅角、回风巷瓦斯浓度均小于0.5%,实现了工作面的安全生产。