近距离煤层群保护层开采顶板走向高位钻孔瓦斯治理技术研究

程志恒许向前尤舜武刘晓刚

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,100013; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013; 4.晋城煤业集团成庄矿,山西省晋城市,048006; 5.淮南矿业集团谢桥矿,安徽省淮南市,232001)

近距离煤层群保护层开采顶板走向高位钻孔瓦斯治理技术研究

程志恒1,2,3许向前4尤舜武5刘晓刚1,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院,北京市朝阳区,100013; 2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京市朝阳区,100013; 4.晋城煤业集团成庄矿,山西省晋城市,048006; 5.淮南矿业集团谢桥矿,安徽省淮南市,232001)

为了有效提高谢桥煤矿1242(1)工作面的瓦斯治理水平,采用实验室相似模拟的方法,分析了1242(1)工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律,判定11－2煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围,获取了钻孔法距参数的最佳范围,为顶板走向高位钻孔的设计提供参考依据。现场考察表明,顶板走向高位钻孔的瓦斯抽采浓度平均达到31.1%,平均抽采量为14.85 m3/min,达到理想抽采效果,保证了综采工作面安全高效生产。

高位钻孔 相似模拟 上覆岩层 钻孔法距 抽采效果

保护层开采的目的是使被保护煤层得到充分卸压,释放煤层中的弹性能,增大煤层透气性能,以便于被保护煤层瓦斯解吸和流动,从而降低突出煤层瓦斯内能,宏观表现为瓦斯压力下降。而高位钻孔瓦斯抽采是利用工作面开采后采空区上覆岩层移动和裂隙发育规律进行抽采的一种瓦斯抽采方式,它将抽采钻孔布置在距煤层顶板一定距离的岩层中,在钻孔的负压作用下抽采顶板裂隙和采空区瓦斯。高位钻孔瓦斯治理技术因其抽采流量大、含量高、工艺简单逐渐成为工作面最行之有效的瓦斯抽采方法之一。

高位钻孔的抽采空间应分布于瓦斯来源多且释放充分的区域,煤层顶板在工作面回采过程中受采动影响,采空区自上而下形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。高位钻孔的布置原则是将钻孔的终孔位置布置到煤层工作面上覆岩层的裂隙带内,因此,准确定位煤层工作面上覆岩层的裂隙带高度是高位钻孔布置的关键。

1 工程概况

淮南矿业集团谢桥煤矿位于安徽省阜阳市颍上县谢桥镇境内,原设计生产能力400万t/a,现生产能力超过800万t/a、配套800万t选煤厂,是特大型现代化矿井。矿井共划分东一、东二、西一、西二4个采区,－610 m和－900 m两个水平,属煤与瓦斯突出矿井。主采的11－2煤层为突出煤层,－610 m水平煤层瓦斯含量在4.54～8.87 m3/t,瓦斯压力0.6～2.4 MPa,煤层透气性差。随着开采深度的进一步加大,煤层瓦斯含量和压力不断增加,防突与瓦斯治理问题已成为制约矿井安全高效生产的主要问题。

1242(1)工作面属于11－2煤层,位于西一采区西翼,走向长度为3015 m,倾斜长240 m,煤厚2.6 m,煤层倾角14°,工作面标高－605～－670 m,煤层瓦斯含量3.0 m3/t。对1242(1)工作面瓦斯来源进行调查分析,结果显示约70%瓦斯来源于采空区,其中包括上覆的13－1煤层的卸压瓦斯,因此对1242(1)综采工作面采空区进行高位钻孔抽采显得十分必要。

2 相似模拟试验及结果分析

采用实验室相似模拟方法分析了1242(1)工作面开采过程中覆岩的裂隙发育规律,判定11－2煤层上覆岩层冒落带和裂隙带分布范围,以获取钻孔法距参数的最佳范围,为顶板走向高位钻孔的设计提供参考依据。

2.1 模型的设计

根据现场地质条件和开采技术条件,结合实验室实际情况,取模型与原型的几何相似比为1∶100,容重相似比为0.6,则应力相似比为0.006,按照相似理论取时间相似比为1∶10。相似材料选用河砂做骨料,选用石灰和石膏做胶结料,选用云母粉做分层材料,改变骨料和胶结材料的成分可以模拟不同类型的岩层。建立倾向模型如图1所示。

图1 实验模型及测点布置示意图

在模型中分别布置5条应变测线,其中顶板3条,底板2条,共布置60个应变测点,观测覆岩的变形规律。开采过程是由计算机控制的YJD－27静动态电阻应变仪数控自动巡回监测系统采集应变信息,同时布置4条位移测线,分别为61～75、41～60、21～40、5～25;A、B、C、D为设在模型架左右两侧固定架上的控制点,这4个点不受开采影响。A、C点和B、D点位于同一水平高度,精确量取A、C点和B、D点之间距离为3010 mm;A、B点和C、D点处于同一铅垂线上,精确量取A、B点和C、D点之间的距离为1010 mm,3010 mm和1010 mm作为计算的起算数据。

2.2 试验结果分析

2.2.1 裂断岩梁运动发展过程

随着工作面的不断推进,覆岩运动范围逐渐扩大,采场上方的压力拱由小到大逐渐向上方岩层扩展。从相似材料模拟试验的过程看,当工作面推进距离大约为工作面长度的1/2.08倍时,压力拱向上扩展到最高处,高度约为工作面长度的1/6.49倍左右。在此过程中,裂隙带中下位1～2个岩梁已完成了初次运动和数个周期运动。当第一次运动阶段结束时,破坏拱在工作面垂直方向上不再扩展,然后进入正常运动阶段。破坏拱只在工作面前方方向上跳跃式向前扩展,此时破坏拱拱顶为一近似水平线。

2.2.3 上覆岩层破坏范围

(1)冒落带。在开切眼附近覆岩最大冒落高度为13.6 m,相当于采高的5.04倍。在停采线附近覆岩最大冒落高度为11.5 m,相当于采高的4.26倍。从相似模拟试验过程可以看出,覆岩断裂端部的位置从下而上逐渐向采空区方向内错。

(2)裂隙带。在开切眼附近在覆岩中裂隙带发育高度为38.5 m,相当于采高的14.26倍。在停采线附近覆岩中裂隙带发育高度为34.5 m,相当于采高的12.8倍。从相似模拟试验过程可以看出,裂隙带范围内主要存在垂直和斜交于岩层层面的裂隙和平行于岩层层面之间的离层裂隙两种裂隙,这两种裂隙相互贯通,形成导水和导气通道。

本次试验还观测到,在工作面开采过程中,沿上覆岩层裂隙已发展至13－1煤层顶板中,这种裂隙以离层裂隙为主,倾斜和垂直裂隙不发育,且不相互沟通,但是裂隙的存在有利于13－1煤层的卸载作用。

根据试验结果,绘出冒落带和裂隙带沿倾斜方向的分布范围,如图2所示。工作面在回采过程中,在上覆岩层中形成的冒落带高度为11.5～13.6 m;导水裂隙带高度范围为34.5～38.5 m。

图2 冒落带和裂隙带分布范围

3 钻场及顶板高位钻孔设计

3.1 高位钻孔合理层位的选择

高位钻孔最佳的层位应该在冒落带上部裂隙带中下部。上覆岩层冒落带高度计算公式为:

式中:Hm——冒落带高度,m;

m——煤层采高,取2.6 m;

k——岩石膨胀系数,取1.3;

α——煤层倾角,(°)。

上覆岩层裂隙带高度计算公式为:

式中:Hd——裂隙带高度,m;

∑M——累计开采厚度,取2.6 m。

将参数代入式(1)和式(2),经计算得到该工作面冒落带高度为11.15 m,裂隙带高度约为30.1～41.3 m。理论计算结果与相似模拟试验结果相差不大,相似模拟结果为钻孔参数的设计提供了设计依据。

3.2 高位钻场布置

钻场采用顶板石门尽头式,即在与工作面轨道巷道垂直方向往顶板岩层掘一长10～15 m的斜巷,在斜巷末端沿走向设钻场,钻场规格为8 m× 5 m×3 m(长×宽×高),钻场间距165 m,共布置7个钻场。

3.3 钻孔施工基本参数设计

每一个高位钻场向回采工作面布置8～12个瓦斯抽采钻孔,孔长160～200 m。高位钻孔的终孔布置在工作面上覆岩层裂隙带内,同时抽采本煤层工作面采空区瓦斯和被保护层的裂隙瓦斯,根据相似模拟试验结果,钻孔垂向高度设计在13.6～34.5 m,确保钻场的钻孔处于裂隙带稳定状态。

由于垮落带的存在,每排钻孔都有一定的有效抽采范围,当岩石完全垮落后,其中钻孔将失去抽放作用,为了保证抽采的连续性,必须解决钻场与钻场之间钻孔的压茬问题。根据钻场高度、钻孔垂高参数和前后钻场的距离,压茬距离为40 m时可以保证抽采的连续性。

4 瓦斯抽采效果考察

为了能较好地分析顶板走向高位钻孔的抽采效果,选择一个月的整体瓦斯抽采数据作为分析对象,在负压平均15 k Pa的情况下,1242(1)工作面顶板走向高位钻孔2012年4－5月份内整体瓦斯抽采情况统计见图3。

由图3可以看出,1242(1)综采工作面顶板走向高位钻孔平均抽采瓦斯浓度达到31.1%,纯瓦斯抽采量为14.85 m3/min左右,抽采效果良好。

1242(1)综采工作面瓦斯涌出量非常大,平均绝对瓦斯涌出量达到104.67 m3/min,除采用顶板走向高位钻孔抽采瓦斯外,还采取Y型通风排瓦斯、本煤层顺层钻孔预抽、沿空留巷埋管、底抽巷穿层钻孔、地面钻井抽采等多种抽采方式的综合瓦斯治理模式,工作面抽采率达到95%左右,达到预期目标,保证了工作面顺利回采,而顶板走向高位钻孔在其中发挥着十分重要的作用。

图3 顶板走向钻孔瓦斯抽采统计

5 结论

(1)通过相似模拟试验分析得出,1242(1)综采工作面覆岩冒落带高度为11.5～13.6 m,裂隙带高度为34.5～38.5 m。

(2)1242(1)综采工作面顶板走向高位钻孔的最佳垂向高度应设计在13.6～34.5 m,确保钻孔终孔位置位于回采工作面顶板裂隙带内,压茬距离为40 m,这样可以保证抽采的连续性。

(3)现场考察表明,顶板走向高位钻孔的瓦斯抽采浓度平均达到31.1%,平均抽采量为14.85 m3/min左右,达到理想抽采效果,保证了综采工作面安全高效生产。

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(责任编辑 张艳华)

晋煤集团破冰资本市场迈入“新三板”

4月20日10点50分,昆山晋桦豹胶轮车制造股份有限公司在全国中小企业股份转让系统(俗称“新三板”)敲响开市宝钟,标志着晋煤集团成功破冰资本市场,加快资本化发展取得重要成果。

昆山晋桦豹胶轮车制造股份有限公司成为晋煤集团旗下首家成功挂牌“新三板”的企业,也开创了山西省国资监管系统登陆“新三板”的先河,对企业破冰资本市场,实现从产品经营向资本经营、从间接融资向直接融资转变,具有十分重要的战略意义。

晋煤集团董事长、党委书记贺天才,副总经理闫振东,总会计师郑绍祖与山西省国资委产权处处长侯国伟,昆山市张浦镇人民政府副镇长秦微晰,山西证券股份有限责任公司副总经理、董事会秘书王怡里等领导出席仪式。

昆山晋桦豹胶轮车制造股份有限公司是晋煤集团金鼎公司控股的一家中外合资企业。公司成立于2006年,位于江苏昆山德国工业园区,是一家以研发、生产、销售、服务、维修矿用井下防爆无轨胶轮车为主的国家级高新技术企业。该公司从2014年6月5日正式启动上市项目以来,经过7个多月的时间,于2015年1月19日被全国股转系统正式批准“晋桦豹”股票在股转系统挂牌,并于4月20日举行挂牌仪式。

Gas control technology for high-level boreholes along with coal seam roof during protective layer mining of adjacent coal seam group

Cheng Zhiheng1,2,3,Xu Xiangqian4,You Shunwu5,Liu Xiaogang1,3
(1．Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2．Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．State Key Laboratory of High Efficient Mining and Clean Utilization of Coal Resources, Chaoyang,Beijing 100013,China; 4．Chengzhuang Mine,Jincheng Anthracite Mining Group Co．,Ltd．,Jincheng,Shanxi 048006,China; 5．Xieqiao Mine,Huainan Mining Industry Group,Huainan,Anhui 232001,China)

In order to enhance the gas control level at 1242(1)working face of Xieqiao Mine, the laboratorial analog simulation was adopted to analyze the fissure-development law of overlying stratum at 1242(1)during mining,to determine the distribution of caving zone and fissure zone of overlying stratum of 11－2 coal seam,to obtain the optimum distance of boreholes,and to provide the design reference of high-level boreholes along with coal seam roof．The site survey shows that the average gas drained concentration is up to 31．1%and the average gas flow is 14．85 m3/min,implying the satisfactory gas drainage effect to guarantee the safe and efficient production at the working face．

high-level boreholes,analog simulation,overlying stratum,distance of boreholes,gas-drainage effect

TD712.6

A

程志恒(1988－),男,煤炭科学研究总院与中国矿业大学(北京)联合培养的博士研究生,主要从事矿山压力、采动煤岩体裂隙演化规律和煤层气抽采技术理论方面的研究工作。