徐世波,張朝川,陳永安,張紅剛
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摘 ?要:本文介紹了大興煤礦12煤層首采1203工作面的瓦斯治理方法,用統(tǒng)計法分析了該工作面回采期間的瓦斯涌出來源(主要來源于采空區(qū)及鄰近層),確定了通過回順鉆場斜交鉆孔抽采、高位走向長鉆孔抽采、千米定向鉆孔抽采、底板瓦斯道抽采等瓦斯抽采方法,有效解決了瓦斯涌出問題,取得了很好的效果。
關(guān)鍵詞:瓦斯涌出;瓦斯抽采;千米定向鉆孔;抽采效果
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大興煤礦北二采區(qū)1203工作面為概況12煤層首采工作面,2018年2月下旬始采,2019年7月中旬回采結(jié)束。在開采過程中相繼采取了運、回順本煤層、底板瓦斯道、埋管、回順斜交鉆孔、高位走向長鉆孔、千米定向鉆孔等抽采瓦斯方式,解決了回采期間的瓦斯問題。通過對該工作面安全回采的瓦斯治理措施進(jìn)行分析總結(jié),可得出瓦斯治理的寶貴經(jīng)驗,查找出治理瓦斯的不足方面,為類似條件下的其他工作面安全開采提供借鑒。
1?工作面概況
北二1203工作面位于北二采區(qū)中部,可采走向長1688m,工作面傾向長150m,面積250200m2。工作面布置見圖1。工作面東側(cè)為F15-1和fN2-3號斷層;西側(cè)為F44號斷層;南側(cè)為主副井工業(yè)廣場保護(hù)煤柱;北側(cè)為F15號斷層,與大隆礦相鄰。上鄰10-2煤層,不可采,一般煤層厚度為0.43m,與12煤層間距在57.69~71.76m之間;12煤層上部小范圍內(nèi)發(fā)育有12-1煤層,煤厚1.09m,與12煤層間距為0.85m;工作面下鄰13煤層,未采動,一般煤厚為2.66m,與12煤層間距在4.61~19.43m之間,一般為12.88m。地表標(biāo)高在+65.2~+73.3m之間。
圖1 ?北二1203綜采工作面布置示意圖
本工作面煤巖形態(tài)總體為一單斜構(gòu)造,煤層產(chǎn)狀為193°~243°∠6°~10°。煤層厚度在3.02~5.13m之間,一般為4.12m。煤層呈黑色,以亮煤為主,暗煤次之,局部煤層中夾薄層炭質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装澹豪享?,巖性以粗砂巖和中砂巖為主。直接頂,以粉砂巖為主。底板:以粉砂巖為主。本工作面火成巖構(gòu)造較發(fā)育,運順、回順、切眼均有小規(guī)模火成巖體侵入現(xiàn)象。
截止到2018年8月末,北二1203工作面完成三分之一的開采進(jìn)度,通過對該面從貫通、初采到老頂冒落后將近三個月的瓦斯?jié)舛取L(fēng)量和抽采量進(jìn)行統(tǒng)計,得出了該階段工作面的瓦斯涌出量變化情況。瓦斯涌出量的變化規(guī)律見圖2。
圖2 ?工作面瓦斯涌出量及推進(jìn)度隨推進(jìn)時間變化曲線??
從圖2曲線可以看出,工作面形成后至開采前,由于切眼及巷道預(yù)排瓦斯作用,工作面絕對瓦斯涌出量平均為5.66m3/min。隨著工作面推進(jìn),風(fēng)排瓦斯涌出量增大到14.50m3/min,此時的瓦斯涌出量可以認(rèn)為是本煤層瓦斯涌出量;當(dāng)推進(jìn)到45m時,工作面頂板初次來壓,下方鄰近的13、14-1煤層以及圍巖卸壓瓦斯通過斜交鉆孔、底板瓦斯道等抽采方式抽出。這個階段內(nèi),工作面抽采瓦斯量急劇增大,可達(dá)72.54m3/min,最大絕對瓦斯涌出量為80.88m3/min;隨著推進(jìn),瓦斯涌出量呈起伏型變化,平均絕對瓦斯涌出量為50.41m3/min,平均抽采瓦斯量為42.51m3/min,本煤層瓦斯涌出占總涌出量的28.76%。
即確定該面的瓦斯治理思路——以采空區(qū)及鄰近層卸壓瓦斯治理為主,本煤層瓦斯治理為輔。
北二1203工作面在整個開采過程中,共對31個鉆場計施工斜交鉆孔進(jìn)行了抽采,鉆孔工程量為30527m,抽采瓦斯純量392萬m3。自2月22日回采以來至8月末,回順35#~20#鉆場陸續(xù)對采空區(qū)及鄰近層瓦斯進(jìn)行了抽采。從鉆場斜交鉆孔抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看,也存在著鉆場有效抽采鉆孔影響段較短、抽采效果一般、抽采時間及鉆孔參數(shù)需優(yōu)化等問題。為了分析各鉆場抽采接續(xù)的相互影響,作出33#、32#、31# 、29#鉆場斜交鉆孔抽采量隨推進(jìn)時間變化曲線如圖3所示。
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圖3??斜交鉆孔抽采量隨推進(jìn)時間變化曲線
?從圖3中可以看出,各鉆場抽采接續(xù)時,斜交鉆孔抽采瓦斯基本沒有出現(xiàn)空檔,僅在4月16日發(fā)生一次斷檔現(xiàn)象,此時斜交鉆孔抽采純瓦斯量僅有3.22m3/min(32#高位鉆場僅抽1.98m3/min,31#鉆場僅抽1.24m3/min),底板瓦斯道出現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場考察,是由于38#鉆場有部分鉆孔存在帶壓噴瓦斯現(xiàn)象。
分析原因為:北二1203回順32#高位鉆場鄰近工作面鉆孔衰減,而后續(xù)的31#、30#鉆場斜交鉆孔設(shè)計垂高偏高,鉆孔均沒有與裂隙帶連通。30#鉆場鉆孔設(shè)計因要躲開32#高位鉆場口頂板錨桿錨索,致使垂高偏高,沒有發(fā)揮作用;此時29#高位鉆場未開始抽采,因而出現(xiàn)斷檔現(xiàn)象。因此,斜交鉆孔的合理層位選擇非常重要。
根據(jù)33#、32#、29#鉆場鉆孔參數(shù)設(shè)計,其合理層位應(yīng)控制在頂板垂高15~30m范圍、工作面控制范圍不應(yīng)超過傾向長度的1/3。通過鉆場斜交鉆孔抽采數(shù)據(jù)分析,隨著老頂初次來壓,斜交鉆孔抽采量逐漸增大;隨著工作面的逐步推進(jìn),頂板活動的周期來壓,瓦斯抽采量呈起伏變化??煞治龅贸?/span>1203工作面老頂初次來壓步距為47m,周期來壓步距為19m。經(jīng)統(tǒng)計,斜交鉆孔抽采量占絕對量的37.0%,占總抽采量的43.6%。
3.2 高位走向長鉆孔抽采技術(shù)措施
在1203工作面回順8個高位鉆場施工了走向長鉆孔進(jìn)行了抽采。高位鉆場在工作面頂板8~10m位置布置,鉆場內(nèi)施工10~15個高位走向長鉆孔,鉆孔長度為80~200m,自回采開始至2019年2月,8個高位鉆場的鉆孔工程量為16808m,抽采瓦斯純量為393萬m3。
從開始回采到2018年8月末,共有1#~5#五個高位鉆場施工沿工作面走向方位超百米長度的鉆孔,并進(jìn)行抽采。1#高位孔從3月7日開始抽采,抽采瓦斯量逐漸增大,最大純流量達(dá)到23.56m3/min;鉆場從3月11日開始算有效抽采段,則1#高位走向長鉆孔有效抽采段達(dá)到136.8m,而高位走向長鉆孔最大孔深為141m。說明該鉆場的走向長鉆孔參數(shù)設(shè)計合理,抽采效果較好。
(1)1#高位鉆場抽采收尾和2#高位鉆場開始抽采接續(xù)期間,抽采量處于減小階段,此時31#鉆場抽采量急劇增大;同樣2#高位鉆場與3#高位鉆場接續(xù)時,28#鉆場抽采量急劇增大。說明鉆場間抽采區(qū)域是可以相互影響的,高位鉆場間銜接不及時可以用斜交鉆孔抽采來補充。
(2)31#鉆場有效抽采距離較小的原因是其在3月21日開始抽采到4月15日一直處于1#高位鉆場有效影響范圍之內(nèi),高位走向鉆孔抽采量大,則31#鉆場斜交孔抽采量就小。
(3)高位鉆場的有效抽采段涵蓋了其它鉆場,從原理上來講其作用效果是一樣的,因此,在高位鉆場有效抽采段可少布置斜交鉆孔進(jìn)行抽采,可節(jié)省工程量,提高工效。
3.3 千米定向鉆孔抽采技術(shù)措施
北二1203回順回風(fēng)道內(nèi)設(shè)置1處千米鉆場,施工定向鉆孔共有7個主孔、2個分支孔。2019年3月12日開始連抽,千米定向鉆孔抽采瓦斯純量隨推進(jìn)時間變化曲線見圖4,該千米鉆場平均抽采瓦斯純流量為4.32m3/min,最大抽采瓦斯純流量為9.29 m3/min。
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圖4 ?千米定向鉆孔抽采效果隨時間變化曲線圖
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1203工作面回順千米定向鉆孔抽采瓦斯量統(tǒng)計結(jié)果來看,1#梳狀鉆孔抽采效果相對較好,最大抽采瓦斯純流量4.72m3/min,平均為1.49m3/min。有效抽采瓦斯時間為96天,抽采瓦斯總量20.53萬m3。其它定向鉆孔抽采瓦斯純量為0.46~0.73m3/min,抽采瓦斯總量6.78~10.38萬m3。在斜交鉆孔措施的配合下,能夠有效解決工作面瓦斯涌出量大的問題。
千米定向長鉆孔自2019年3月中旬開始抽采到7月中旬結(jié)束,其抽采瓦斯純量與斜交鉆孔、底板瓦斯道抽采瓦斯量對比見表1。
?表1?千米定向鉆孔與斜交、底板道抽采瓦斯量對比表
月份 | 千米鉆孔月平均抽采純量/m3/min | 絕對量 占比 /% | 斜交鉆孔月平均抽采純量/m3/min | 絕對量 占比/% | 底板瓦斯道月平均瓦斯抽采純量/m3//%min | 絕對量 占比/% | 絕對瓦斯涌出量 /m3/min |
3 | 2.10 | 9.01 | 8.81 | 37.81 | 10.13 | 43.44 | 23.31 |
4 | 2.70 | 11.14 | 7.81 | 32.17 | 11.88 | 48.98 | 24.26 |
5 | 4.84 | 21.34 | 7.57 | 33.40 | 8.75 | 38.61 | 22.66 |
6 | 5.76 | 28.34 | 3.74 | 18.38 | 9.29 | 45.68 | 20.33 |
7 | 6.22 | 34.79 | 0.60 | 3.37 | 9.34 | 52.24 | 17.89 |
?從表1可以看出,千米高位鉆孔剛開始抽采的兩個月中,抽采瓦斯量僅占總瓦斯涌出量的9%、11%,而斜交鉆孔則占38%、32%;到7月中旬工作面回采結(jié)束期間,千米高位鉆孔抽采瓦斯純量占到35%。即千米鉆孔在6月、7月才起到主要作用。分析其原因可能有以下幾種因素:
①剛開始抽采時,鉆孔長度較長,抽采負(fù)壓不足以將采動影響區(qū)的卸壓瓦斯抽出;
②千米定向鉆孔設(shè)計層位較高,鉆孔未處于裂隙帶或處于裂隙不發(fā)育的區(qū)域,導(dǎo)致抽采瓦斯量較少;
③12煤層頂板以砂巖為主,巖層較堅硬,工作面推過后頂板垮落步距較大,從而導(dǎo)致千米定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯較滯后,影響瓦斯抽采效果。
3.4 底板瓦斯道抽采技術(shù)措施
隨著工作面的逐步推進(jìn),工作面上下鄰近層圍巖發(fā)生了運移而導(dǎo)致煤體卸壓,底板瓦斯道穿層鉆孔抽采瓦斯純量也逐漸增大。從工作面推進(jìn)74m開始到239m,平均抽采純瓦斯量為15.26m3/min。底板瓦斯道平均抽采瓦斯量占絕對瓦斯涌出量的29.9%,占總抽采量的34.9%。
?4 結(jié)論
(1)以統(tǒng)計法對北二1203工作面瓦斯涌出來源進(jìn)行分析,該面回采過程中絕對瓦斯涌出量平均為50.41m3/min,其中本煤層瓦斯涌出占28.76%,高位鉆孔及斜交鉆孔抽采量占38.49%,底板瓦斯道抽采量占39.97%。從瓦斯治理效果分析來看,卸壓抽采(斜交鉆孔、底板瓦斯道)解決了78.46%的瓦斯涌出量。
(2)通過走向長鉆孔抽采瓦斯效果分析,其具有有效抽采服務(wù)時間長、抽采影響距離長、抽采瓦斯流量大的優(yōu)點。雖然鉆場內(nèi)鉆孔參數(shù)設(shè)計合理,抽采瓦斯效果較好,但高位鉆場的有效抽采段涵蓋了其它鉆場,從原理上來講其作用效果一樣,因此,在高位鉆場有效抽采段可少布置斜交鉆孔進(jìn)行抽采,這樣可節(jié)省工程量,提高工效。
(3)千米定向鉆孔具有大孔徑、長距離、精度準(zhǔn)的特點,同時相對于高抽巷投資少工期短,抽采效果較好。應(yīng)研究千米定向高位鉆孔的布置參數(shù)與抽采效果的關(guān)系,使其達(dá)到合理有效應(yīng)用,爭取取代頂板巷,可緩解采掘接替緊張的局面。
(4)從工作面推進(jìn)74m開始到239m期間,由于工作面回采過程中卸壓瓦斯通過裂隙涌入底板道,從而造成瓦斯異常涌出。通過采取向異常涌出區(qū)域底板施工抽采鉆孔、加設(shè)臨時移動泵進(jìn)行抽采、增加工作面配風(fēng)風(fēng)量、提高局部精細(xì)化管理等措施,逐漸消除了隱患。