松软低透高瓦斯煤层群定向拦截长钻孔瓦斯抽采技术研究.pdf

CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 安 全0引言随着煤矿开采深度的不断增加，煤层赋存的地质条件越来越复杂，煤矿瓦斯治理难度越来越大1-2。瓦斯是影响煤矿安全生产的五大危险因素之一，我国突出矿井约占全国矿井的 1/33-4，国有矿井中突出矿井占比更高，矿井瓦斯事故是造成人员伤亡财产损失最大的煤矿安全事故，因此开展煤矿瓦斯治理技术研究具有重大意义。上 保 护 层 开 采 过 程 中，受 采 动 影 响 底 板 裂 隙 发育，下伏被保护层卸压瓦斯沿裂隙向上扩散至上保护层回采工作面采空区导致采空区瓦斯涌出量大幅度增加，导致工作面和上隅角瓦斯浓度不能得到有效控制5。因此，非常有必要研究卸压瓦斯定向拦截长钻孔瓦斯抽采技术以抽采上保护层开采过程中下伏被保护层煤层上向游移瓦斯，降低上保护层开采过程中工作面采空区瓦斯涌出量，保障矿井安全生产。1定向拦截长钻孔瓦斯抽采技术分析定向拦截长钻孔瓦斯抽采的基本原理：受采动影响底板裂隙发育，下伏被保护层卸压瓦斯沿裂隙向上扩散至上保护层回采工作面采空区，通过定向长钻孔抽采沿裂隙向上移散瓦斯，达到降低上保护层采空区瓦斯涌出量的目的。2定向拦截长钻孔参数设计2.1 试验矿井及工作面概况象山矿为煤与瓦斯突出矿井，3#煤层和 5#煤层层间距约 21m，在 3#煤层工作面生产过程中，受采动影响底板裂隙发育，5#煤层卸压瓦斯沿裂隙向上扩散至3#煤层回采工作面采空区，导致 3#煤层工作面采空区及上隅角瓦斯浓度升高，对 3#煤层回采工作面的安全生产造成不利影响。因此采用定向拦截长钻孔工艺，抽采 3#煤层回采工作面回采期间下伏 5#煤层卸压瓦斯沿裂隙向上扩散至 3#煤层回采工作面的游移瓦斯，作为回采期间下邻近煤层瓦斯治理措施，降低下邻近层的瓦斯压力和含量，实现多煤层综合瓦斯治理。象山矿 21315 工作面主进风巷揭露的 3#煤岩层类型为半亮型，煤层以亮煤为主，中夹镜、暗煤细条带。煤 层 结 构 简 单，煤 层 下 部 局 部 含 夹 矸，夹 矸 厚 度 在0.10.2m，底部有 0.20.3m 厚粉末煤层。工作面煤层厚度较稳定，煤层厚度在 1.42.6m 之间，平均厚 度 2.2m，属 较 稳 定 的 中 厚 煤 层；工 作 面 灰 分 大 于35%，其 余 部 分 在 25%35%之 间，硫 分 0.38%0.59%。21315 工作面所属 3#煤层伪顶岩性为泥岩，质软、破碎、节理发育、易垮落，厚度在 0.050.2m；直接顶岩性主要为灰色中、细、粉砂岩，中厚层状、钙泥质胶结、厚度在 26m，一般厚 4m，含一层煤线，较致密坚硬，为 2 类中等稳定类顶板。老顶岩性为中、细、粉粒砂岩或粉砂质泥岩，厚层状、致密坚硬，厚度在 1.34.8m，一般厚 2.8m，为级明显类型顶板；直接底板岩性主要以粉砂岩或砂质泥岩，中厚层状，泥质胶结，含植物化石，厚度为 0.312.7m，一般厚 4m，为类中硬类型底板，距 5#煤层顶板 14.822.9m。21315 工作面煤体原始瓦斯含量 1.485.24m3/t。下伏 5#煤层原始瓦斯含量 6.58.12m3/t，煤层自燃倾向性为类不易自燃，最短发火周期为 77d，煤尘有松软低透高瓦斯煤层群定向拦截长钻孔瓦斯抽采技术研究陈卫东（陕西陕煤韩城矿业有限公司，陕西 韩城 715400）摘要：为了解决松软低透高瓦斯煤层群上保护层开采过程中，采空区瓦斯涌出量大的问题，以同等情况的象山矿21315工作面为工程背景，采用理论分析计算方法，研究定向拦截长钻孔瓦斯抽采下伏被保护煤层瓦斯沿裂隙向上游移瓦斯的方法、效果及钻孔数量位置。关键词：煤矿开采；高瓦斯煤层群；瓦斯拦截抽采中图分类号：TD821文献标识码：A31煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 安 全爆炸危险性。2.2 定向拦截长钻孔数量和孔径计算于象山矿 21315 工作面进行现场试验。象山矿井为突出矿井，采用开采 3#煤层作为保护层治理下伏5#煤层瓦斯。象山矿 3#煤层最小坚固性系数为 0.29，煤层透气性差，属于较难抽放煤层；象山矿 5#煤层最小坚固性系数为 0.21，煤层透气性差，属于较难抽采煤层。结合 21315 工作面现场实际情况，按最大日产量 3200t 计 算，该 工 作 面 相 对 瓦 斯 涌 出 量 预 计 为5.45m3/t，绝对瓦斯涌出量预计为 12.11m3/min，其中本 煤 层 瓦 斯 涌 出 量 占 比 40%，绝 对 瓦 斯 涌 出 量4.84m3/min；邻近层瓦斯涌出量占比 60%，绝对瓦斯涌出量 7.26m3/min。采用底板卸压定向拦截长钻孔对邻近层进行抽采，对邻近层卸压瓦斯拦截率按 60%计 算，需 抽 瓦 斯 量 为 4.35m3/min，钻 孔 孔 径 选 择120mm，单孔抽采混量 7m3/min，瓦斯浓度按 15%计算，单 孔 抽 采 量 1.05m3/min，需 施 工 不 少 于 5 个120mm 孔径的定向拦截长钻孔。2.3 定向拦截长钻孔层位选择象山矿 3#煤层、5#煤层之间地层及 5#煤层原有应力状态在 3#煤层作为上保护层开采后被破坏。由于3#煤层的采动，下伏煤岩层地应力减小、透气性增大、裂隙增多，3#煤层开采区域下伏 5#煤层部分瓦斯由吸附瓦斯转为游离瓦斯，沿裂隙游移至上覆 3#煤层回采工作面。结合象山矿 3#煤层、5#煤层现场实际，3#煤层作为上保护层开采后，下伏煤岩所受竖直应力减弱，导致煤岩向上方空间发生形变卸压形成底鼓现象，挤压变形产生水平裂隙、竖直裂隙。根据裂隙发育情况及分 布 规 律，划 分 弯 曲 变 形 带、水 平 裂 隙 带 及 竖 直 裂隙带。3#煤层回采工作面开采后，下伏煤岩向上方空间发生形变产生裂隙，新生裂隙与原有裂隙交错贯通，形成贯通性强透气性好的裂隙网络。裂隙网络汇集煤岩层原有裂隙及新生的水平离层裂隙、竖直裂隙，最终形成下伏煤岩层瓦斯向上游移至 3#煤层回采工作面采空区的通道。下伏煤岩层裂隙分带及分布示意图如图 1 所示，沿煤层垂向顶底板分带与瓦斯分区图如图 2 所示。图 1 下伏煤岩层裂隙分带及分布示意图沿垂直采空区方向中卸压瓦斯区低卸压瓦斯区低卸压瓦斯区高卸压瓦斯区高卸压瓦斯区中卸压瓦斯区沿工作面推进方向弯曲下沉带H5裂隙带 H4冒落带 H3底鼓裂隙带H2底鼓变形带H1图 2 沿煤层垂向顶底板分带与瓦斯分区图通过以上分析，钻孔布置层位应在上保护层底板破坏深度和裂隙带内，理论计算 3#煤层开采后底板破坏深度 16.91m，距 5#煤层顶板 5.59m。结合临近矿井底板卸压定向拦截长钻孔施工经验，顶板上方 3m 处适宜作为定向拦截长钻孔布置位置。由于象山矿煤层赋存条件较为复杂，进行抽采效果最佳层位现场考察，分别将钻孔终孔层位布置在距 5#煤层顶板垂距1.5m、2m、3m、5m、7m 处，内 错 辅 助 进 风 巷 15m、30m、50m、75m、100m，通过对钻孔抽采效果考察，确定最佳布置层位和控制范围。2.4 定向拦截长钻孔设计21315 工作面辅助进风巷预计布置钻场：1#钻场（钻孔数量 5 个）、2#钻场（钻孔数量 5 个），共计 2 个钻场、10 个钻孔。1#钻场中 5 个钻孔位置分别位于辅助进风巷内侧 15m、30m、50m、75m、100m，终孔层位位置分别位于距离 5#煤层上方距顶板 1.5m、2m、3m、5m、7m 处，孔径 120mm，设计孔深 491524m，工程量2528m。钻孔设计平面图如图 3 所示，设计剖面图如图 4 所示，1#钻场钻孔参数见表 1。图 3 定向拦截长钻孔布置平面示意图图 4 定向拦截长钻孔布置剖面示意图3定向拦截长钻孔瓦斯抽采情况由于现场施工影响等因素，2#钻场内钻孔未能按期完成施工。因此此次仅针对 1#钻场定向拦截长钻孔瓦斯抽采情况进行分析。3.1 抽采效果分析根据瓦斯涌出量预测，21315 工作面绝对瓦斯涌出 量 23.36m3/min，其 中 该 煤 层 绝 对 瓦 斯 涌 出 量13.47m3/min，邻近层绝对瓦斯涌出量 9.89m3/min。32CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 安 全实测 21315 工作面绝对瓦斯涌出量 33m3/min，邻近 层 绝 对 瓦 斯 涌 出 量 16.86m3/min（1#钻 场 抽 采 纯量），占回采工作面绝对瓦斯涌出量 51%，大于邻近层预测的绝对涌出量，因此对下邻近层卸压瓦斯起到一定的拦截作用，达到预期抽采效果。根据监测数据统计，21315 工作面 1#钻场定向拦截长钻孔累计抽采纯量 29.84 万 m3。瓦斯抽采参数如图 5 所示。瓦斯抽采数据见表 2。1#底板拦截缷压抽采钻孔抽采参数折线图工作面进入孔底距离浓度负压/混量图 5 定向拦截长钻孔抽采参数折线图表 2 1#钻场定向拦截长钻孔抽采数据表编号1#原始瓦斯含量/（m3 t-1）8.12地质储量/万t7.6瓦斯储量/万m361.71累计瓦斯抽采量/（m3 min-1）29.84残余瓦斯含量/（m3 t-1）4.193.2 抽采影响分析3.2.1工作面割煤推进度影响分析根据 21315 工作面定向拦截长钻孔抽采数据与工作面回采情况交叉对比分析可知，工作面推进速度对钻孔抽采浓度影响大，停产期间工作面未推进，下邻近层采动影响传导速度变慢，对下邻近层影响范围变小，底板裂隙不能持续发育，钻孔抽采区域 5#煤层瓦斯卸压速度变缓，钻孔抽采浓度下降。3.2.2地质构造影响分析根据 21315 工作面定向拦截长钻孔位置与附近断层等地质构造空间位置关系对比分析可知，当工作面推进至断层等地质构造附近时，钻孔浓度由 80%下降至 3%，抽采混量由 2m3/min 增加至 5.5m3/min。定向拦截长钻孔主要受构造开放性裂隙影响，钻孔通过构造裂隙抽进空气，造成钻孔抽采浓度下降，主要原因是受断层及辅助进风巷卸压宽度影响。综上分析，底板裂隙发育程度与工作面推进度相关，工作面推进速度慢，采动影响对下部岩层裂隙传导速度放慢，底板岩层裂隙不发育，下邻近层瓦斯向上涌出通道不畅，造成抽采浓度降低。同时，钻孔受开放性断层影响较大，造成钻孔抽采混量增大，抽采浓度降低。3.2.3定向拦截长钻孔层位影响分析通过对钻孔抽采效果、钻孔布置层位、控制宽度及保护层底板破坏深度的分析，21315 工作面 1#底板卸压拦截定向长钻孔施工层位距 5#煤层顶板 1.57.0m，由于上保护层破坏深度在 16.9m，钻孔布置在变形带中，岩层裂隙发育不充分，加上岩层破坏程度不同，致使抽采浓度波动大，不能保持较好的瓦斯抽采效果。4结论一是通过在象山矿 21315 工作面进行的定向拦截长钻孔试验表明，此次计算试验的定向拦截长钻孔参数设计准确，层位选择较为合理，为后期拦截保护层开采后下伏煤层向上游移瓦斯打下基础。二是定向拦截长钻孔可有效抽采上保护层开采后下伏煤层沿裂隙向上部游移瓦斯。参考文献：1李彦明.基于高位定向长钻孔的上隅角瓦斯治理研究J.煤炭科学技，2018（1）：215-218.2陈冬冬，孙四清，张俭，等.井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践J.煤炭科学技术，2020（10）：84-89.3石智军，赵江鹏，陆鸿涛，等.煤矿区大直径垂直定向孔快速钻进关键技术与装备J.煤炭科学技术，2016（9）：13-18.4陈晓坤，蔡灿凡，肖旸.20052014 年我国煤矿事故统计分析J.煤矿安全，2016（2）：224-226.5文虎，樊世星，卢平，等.煤层群上保护层开采保护效果现场考察J.煤矿安全，2018（3）：155-159.作者简介：陈卫东（1985-），男，汉族，河南睢县人，本科，通风工程师，研究方向:矿井通风与安全，瓦斯灾害治理。责任编辑：宋潇潇表 1 1#钻场钻孔设计参数表钻孔编号1#2#3#4#5#合计工程量开孔高度/m11111开孔方位/175173170167164开孔倾角/-5-5-4-3-3目标方位/190190190190190钻孔直径/mm120120120120120内错辅助进风巷距离/m15305075100距5#煤层顶板垂高/m1.52.03.05.07.0设计深度/m491494501518524252833