董红娟 王 岩 焦帅朋 张金山

(内蒙古科技大学,内蒙古自治区包头市,014010)

五虎山煤矿高位钻孔瓦斯抽采技术研究∗

董红娟 王 岩 焦帅朋 张金山

(内蒙古科技大学,内蒙古自治区包头市,014010)

以五虎山煤矿011201工作面煤岩参数为基础,通过理论分析并结合数值模拟等方法,研究了煤层开采过程中上覆岩层采动裂隙发育范围、围岩应力变化以及采动瓦斯流场的分布规律及其特征,从而为高位钻孔抽采瓦斯治理方案的设计与优化提供科学的指导.

高位钻孔 上隅角 瓦斯抽采 裂隙分布 瓦斯流场 瓦斯治理

1 工作面概况

五虎山煤矿位于内蒙古自治区乌海市乌达矿区,矿井初步设计生产能力为150万t/a,设计服务年限为107 a,1983年正式投产.目前,矿井正在开采9＃、10＃、12＃煤层,该三煤层均属石炭系上统太原组,其中9＃煤层厚0.45～4.36 m,平均2.82 m,煤层结构简单,含1～3层夹矸,岩性为页岩,主要分布在煤层底部和顶部,属较稳定煤层;10＃煤层厚0.89～3.84 m,平均2.03 m,煤层厚度变化无显著规律、结构简单,仅局部含1～2层夹矸,属较稳定煤层;12＃煤层厚2.44～6.13 m,平均4.27 m,井田北部较南部厚,煤层结构复杂,夹矸10层,其中可以对比的有3层,总厚平均0.7 m.各煤层瓦斯基本参数如表1所示.

011201综采工作面位于五虎山煤矿12＃煤层北翼,工作面标高+992～+1051 m,是12＃煤层第一个采煤工作面.该工作面南为12＃煤层盘区上山,东为011203工作面,上部为011003工作面,尚未开采.工作面走向平均长1525 m,倾斜长177 m,采高初步确定为3.8 m,产量4000 t/d,平均倾角为8°.根据011201工作面煤层赋存情况,确定采用走向长壁后退综合机械化采煤方法,全部垮落法管理顶板.

011201工作面回采期间供风量为1895 m3/min,绝对瓦斯涌出量4.31 m3/min. 2014年3月工作面老顶初次来压期间,上隅角和回风巷瓦斯浓度变化情况如图1所示.由图1分析可知,2014年3月1日工作面开始回采后第18 d时上隅角瓦斯浓度攀升至0.96%左右,这种情况持续了15 d,而回风流中瓦斯浓度最高达到了0.95%,影响了工作面的安全生产.根据本煤层和邻近层瓦斯涌出量计算结果得到回采工作面瓦斯涌出量,回采工作面相对瓦斯涌出量为24.32 m3/t,矿井回采工作面绝对瓦斯涌出量为43.74 m3/min.

表1 五虎山煤矿主采煤层瓦斯基本参数

图1 2014年3月份上隅角及回风巷瓦斯浓度变化

2 工作面瓦斯流场分布规律研究

根据现场工作面采场支撑应力变化及工作面采动应力FLAC2D数值模拟,并结合裂隙分布规律的综合研究与相互印证,得出如下研究结论:在垂向,工作面垮落带范围约为距本煤层顶板15 m以内,裂隙带约为距本煤层顶板15～49 m范围以内,厚度达6.0 m的砂页岩为关键层,其上覆岩属整体弯曲下沉带;在倾向上,裂隙充分发育的范围约为距回风巷70 m.

利用FLAC2D数值模拟得到采空区瓦斯浓度变化情况如图2所示.对工作面的采动瓦斯流场进行分析,得到以下结论:

图2 采空区瓦斯浓度变化

(1)从瓦斯涌出源分析,上隅角瓦斯超限在很大程度上是由于工作面采动影响引起上覆岩层裂隙发育,导致卸压瓦斯涌入工作面.

(2)在走向方向上瓦斯浓度随距工作面推进距离的增加而上升,即越深入采空区瓦斯浓度越高;且在远离工作面的采空区,距进风巷越近瓦斯浓度上升速率越高.

(3)靠近工作面的采空区由于受到进风巷新鲜风流冲刷影响,瓦斯浓度较低,且在距工作面50 m范围以内作用效果显著;沿倾斜方向上瓦斯浓度由进风巷到回风巷一侧逐渐升高,即采空区瓦斯浓度随着距进风巷距离的增加而缓慢上升,但深入采空区超过50 m范围后新风影响能力减弱,瓦斯浓度上升速率较快.

3 高位钻孔布置工艺及参数设计及抽采效果分析

根据高位钻孔抽采瓦斯渗流特性、采空区上覆岩层采动冒落规律以及裂隙发育规律及分布范围对顶板高位钻孔方案及钻孔参数进行优化设计,如图3所示.

图3 工作面顶板走向高位钻孔布置示意图

(1)钻场.根据工作面顶板岩性合理确定其位置,如图3所示,在回风巷内布置高位钻场,1＃钻场布置于超前工作面60 m处,间隔40 m布置2＃钻场,钻场尺寸为5 m×4 m×3 m(长×宽×高),且以2＃钻场为基准,在回风巷内每隔40 m施工一个相同参数的钻场.

(2)法距(高位钻孔层位控制范围).每个钻场根据采动裂隙分布情况施工9个高位钻孔,按照法距可划分为3个上分层钻孔,终孔位置位于9＃煤层顶板距钻场垂高30 m处;3个中分层钻孔,终孔位置位于10＃煤层顶板距钻场垂高26 m处;3个下分层钻孔,终孔位置位于10＃煤层底板距钻场垂高23 m处.

(3)钻孔平距(倾向分布范围).即钻孔终孔位置在工作面的水平投影与钻场(或回风巷)的距离,每个钻场的1＃、4＃、7＃钻孔为10 m,2＃、5＃、8＃钻孔35 m,3＃、6＃、9＃钻孔为60 m.钻孔直径为113 mm,且相邻钻场间钻孔压茬距离不小于50 m.

以现场5＃钻场1＃钻孔和12＃钻场6＃钻孔抽采数据进行分析,结果如图4所示.

图4 钻孔与工作面推进的时空关系

011201工作面采用走向高位钻孔治理上隅角瓦斯取得显著成果,工作面回采推进至钻孔控制范围时瓦斯抽采浓度最高可达14%,平均为5.16%,经现场实测抽采纯瓦斯流量平均为5 m3/min,满足工作面4.31 m3/min绝对瓦斯涌出量的治理要求.且在工作面回采期间,利用矿井瓦斯监控系统,对工作面、上隅角、后部刮板输送机和总回风流的瓦斯浓度进行监测,其瓦斯浓度最大值随回采时间变化曲线如图5所示,采用高位钻孔抽采瓦斯措施后工作面瓦斯浓度在0.45%以下,总回风巷瓦斯浓度0.5%以下,有效地解决了上隅角及工作面瓦斯问题,保证了工作面的安全回采工作.

4 结语

(1)根据五虎山煤矿近距离煤层群的特点,针对011201综采工作面上隅角瓦斯问题,结合工作面煤层顶板赋存条件确定了工作面瓦斯问题是由于上覆岩层受采动影响导致卸压瓦斯涌入回采工作面及采空区,引起上隅角瓦斯集聚.

(2)结合上覆岩层采动裂隙发育规律对瓦斯治理方案进行设计与优化.瓦斯抽采钻场布置在工作面回风巷中,钻场间距为40 m(1＃钻场超前工作面60 m),每个钻场设计施工9个钻孔,经现场试验,钻孔瓦斯抽采浓度平均为5.16%,使得工作面瓦斯浓度大大降低,解决了该矿工作面上隅角瓦斯问题.

图5 工作面瓦斯浓度观测曲线

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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

董红娟(1983-),女,辽宁省葫芦岛人,讲师,在读博士,主要研究方向为煤与瓦斯协调开采。

(责任编辑 张艳华)

内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目(NJZY16163),内蒙古自然科学基金项目(2016 MS0542),内蒙古科技大学研究生科研创新项目(S2016012705),内蒙古科技大学创新基金项目(2016XYPYL02)