潘三回采面顶板覆岩走向长钻孔卸压抽放瓦斯.doc

不同地质条件下顶板走向长钻孔抽放瓦斯技术试验研究 朱贵旺1 方恩才 1 卢平2 （1.淮南矿业集团潘三矿；2.中国科技大学） 摘要针对潘三矿不同地质条件下的采煤工作面的顶板覆岩的移动规律，研究完善了顶板走向钻孔抽放瓦斯的技术，并确定了适合潘三煤层围岩特点的顶板走向钻孔抽放参数。取得了很好的瓦斯治理效果。 关键词顶板 钻孔 抽放 套管 1 矿井概况 淮南矿业集团潘三煤矿是一年产3Mt的大型高瓦斯煤与瓦斯突出矿井，矿井可采煤层13层，总厚度28.5m。目前矿井主采13-1和11-2煤层，其中13-1煤层为高瓦斯突出煤层，煤层瓦斯含量10～15m3/t，矿井自投产以来共发生煤与瓦斯突出12起，特大瓦斯爆炸1起，瓦斯是威胁矿井安全生产的主要因素，严重制约矿井的安全生产。 实测13-1高瓦斯突出煤层透气性系数3.410-3m2/MPa2.d，属低透气性较难抽放煤层，原始煤层预抽效果不好，因此必须研究采用卸压抽放方法来治理瓦斯。实测结果表明，回采面瓦斯涌出构成中采空区瓦斯涌出量所占的比例在50～60左右，因此试验研究采用回采面顶板卸压区抽放采空区瓦斯。 2 回采过程中采空区顶板卸压覆岩岩层移动规律 砌体梁理论对采动影响岩体移动规律的整体的“横三区”、“竖三带”的认识。即沿工作面推进方向上覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，由下而上可将采空区覆岩移动划分3个不同的地带①紧靠煤体上方的覆岩层由于破碎而冒落的地带称冒落带。在冒落带中，破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3～1.5。很多情况下是由于直接顶岩层冒落而形成。②裂隙带位于冒落带之上，是指岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域。③裂隙带上方岩层仅出现下沉弯曲，称弯曲带。该带内岩层一般不再破裂，只在自重作用下产生法向弯曲，岩体较好地保持了原有的整体性。 采场上部覆岩是一系列岩层的有序组合，而层状组合中有一层或几层较为坚硬的厚岩层对控制整个上覆岩体的变形与破坏起主要的作用，这种坚硬的岩层（一般为老顶坚硬砂岩）称为关键层。采场覆岩中的关键层未破断失稳前，关键层下部岩层将产生不协调性的连续变形离层；在卸压区内岩层以拉应力为主，当其超过岩体的极限抗拉强度时，便出现纵向裂隙，因此在顶板覆岩周期断裂时在煤壁前方顶板岩层内产生开口向上的纵向裂隙，在煤壁后方顶板岩层内产生开口向下的纵向裂隙。 顶板覆岩不规则垮落的冒高与采高、煤炭的回采率、冒落岩石的碎胀系数kp及采空区的充填程度k相关。 当距煤层（1.92～3.43）M处存在较坚硬的覆岩关键层时，可形成稳定的“砌体梁“结构；而在该位置不存在较坚硬的覆岩关键层时，则规律冒落带将继续发展，直至形成稳定结构。 3顶板覆岩卸压抽放瓦斯的试验研究 3.1 顶板走向长钻孔覆岩卸压抽放瓦斯合理布置区域分析 钱鸣高院士根据淮北桃园煤矿的实验结果整理出的回采工作面回采250m后采空区离层裂隙呈“O”型圈分布。 实验结果表明，在覆岩主关键层破断稳定后，采空区中部离层趋于闭合，而在采空区两侧仍各保持一个离层发育区。从平面看，由于关键层破断时形成“砌体梁”结构，在采空区四周存在一沿层面横向连通的采动离层发育区，在周边走向10～40m，倾向5～34m区间为裂隙发育区；沿顶板高度方向，随工作面推进离层由下往上逐步发展。 开采煤层顶板覆岩中关键层的层位、强度及厚度对上覆岩层的变形破坏起非常重要的控制作用。自工作面至采空区覆岩移动稳定处不规则冒高和稳定冒高是逐渐增大的，在老顶周期来压破断前，在A区的直接顶将由裂隙带向规则冒落带和不规则冒落带逐渐过渡。而且冒落线随工作面煤壁移动而周期性地移动。而煤层回采工作面顶板覆岩卸压抽放瓦斯主要是为了解决回采面上隅角瓦斯超限和防止瓦斯直接排放到回风流中，其主要应处理的瓦斯源应是工作面上部向采空区延深20m区域积聚的瓦斯，因此卸压抽放钻孔在层位上应布置在该区域上覆岩层的裂隙区下部及规则冒落带上部，而不是采动稳定后稳定的裂隙带下部（其在靠近工作面的A区可能裂隙很不发育，导致有效抽放量不大和抽放效果差）。当距煤层（1.92 ～3.43）倍采高，（规则垮落带）处存在较坚硬的覆岩关键层时，则合理钻孔孔位应布置在关键层下部和紧贴关键层的岩层上部区域；若在该位置不存在较坚硬的覆岩关键层时，冒落将继续向上发展，则合理钻孔孔位在层面法向应布置在裂隙带与规则垮落带交接处区域，在水平方向上以5～34m为宜。 3.2. 试验研究一 3.2.1 1761综采工作面概况 1761工作面位于该矿东四采区，回采13-1煤层，工作面赋存标高-545～-585m，工作面倾斜长150m,走向长938m,煤厚3.0～5.6m，平均4.0m，采高2.9m，煤层倾角5～8，平均7；工作面煤层赋存较稳定，总体为一简单的单斜构造，直接顶为灰、深灰色泥岩13-2煤层，平均厚度7.6m，老顶为灰白相间的细砂岩和粉砂岩互层，平均厚度10.0m，底板为深灰色泥岩，相应的岩层综合柱状见图6，对应的岩层描述及厚度见表1。煤层顶底板封闭性较好, 实测13-1煤层瓦斯压力4.2Mpa，煤层瓦斯含量10～13m3/t，为高瓦斯双突煤层。 3.2.2 顶板走向钻孔合理布置参数考察 图6 工作面走向顶板长钻孔卸压抽放瓦斯钻孔布置示意图 回 风 巷 进 风 巷 上隅角 采空区 规则冒落带 顶板抽放钻孔 A A 钻场 10 4 9 2 7 6 5 1 b 13-1岩体柱状 a 顶板抽放钻孔布置 A---A剖面 6m 1.5m 为解决煤炭回采时瓦斯涌出量大问题，试验研究采用走向长钻孔顶板覆岩卸压抽放瓦斯技术。由13-1煤层综合柱状图可以看出，，由于13-1煤层顶板覆岩的特殊结构，顶板以灰、深灰色泥岩及13-1－2煤层，平均厚度7.6m，由前面理论分析可知，13-1煤层回采后采空区上部不规则冒落带可达3.8m左右，其顶板覆岩主关键层应是距13-1煤层7.6m之上的厚10.0m致密较硬的灰色细砂岩，规则冒落带向上发展到主关键层处便形成稳定的“砌体梁”结构，因此分析其裂隙发育带区域应在顶板覆岩主关键层10.0m厚致密较硬的灰色砂页岩中，其距13-1煤层顶板法距7.6～17.6m，其可作为确定顶板走向抽放瓦斯钻孔合理层位时参考。因此在工作面上风巷每隔130～160m向煤层顶板内错掘一钻场，钻场规格6m4m2.4m（长宽高）,为保证抽放钻孔的有效抽放长度，钻场沿风巷向煤层顶板上升1.5m，为考察顶板钻孔抽放瓦斯的合理布置位置， 1号钻场顶板走向卸压抽放钻孔设计和施工时采用较大的仰角（12），钻孔的偏角1～8（向工作面倾斜方向），以便确定钻孔抽放最有效的钻孔空间位置。1号钻场内布置5个孔径为108mm的钻孔，孔深120m,孔口下10m孔径128mm的岩芯管，聚胺脂封孔，钻场及钻孔布置见图2。图3为1钻场钻孔抽放瓦斯量与钻孔距煤层的垂直距离的实测关系曲线图,图4为1钻场抽放瓦斯浓度与钻孔距煤层的垂直距离的实测关系曲线图。从图3、4可以看出，当顶板走向钻孔距13-1煤层法距6～15m时，顶板抽放钻孔的抽放瓦斯量稳定在11m3/min左右，抽放量占工作面总涌出量的40％左右；当顶板孔距13-1煤层煤层法5m以下和20m以上时，抽放瓦斯浓度减至50％以下，抽放瓦斯量也降低。在有效抽放范围内抽放瓦斯量占工作面总瓦斯涌出量的比例达28～39.6。 表1 岩层柱状对应各岩体力学参数与图6对应 序号 岩石名称 层厚/m 单轴抗压 强度/Mpa 序号 岩石名称 层厚/m 单轴抗压 强度/Mpa 1 C15煤层 0.4 7.32 6 细砂岩 10.0 62.4 2 粉砂岩 4.6 34.6 7 砂质泥岩 2.6 30.5 3 C14煤层 0.4 7.32 8 13-1-2煤 0.8 7.84 4 砂质泥岩 2.3 30.5 9 砂质泥岩 4.2 30.5 5 泥岩 2.0 38.3 10 13-1煤（开采层） 4.0 7.84 距煤层顶板平均垂直距离/m 抽放纯瓦斯量/m3.min-1 图3 1号钻场抽放瓦斯流量与钻孔距煤层 的垂直距离的实测关系曲线图 图4 1号钻场抽放瓦斯浓度与钻孔距煤层 的垂直距离的实测关系曲线图 距煤层顶板平均垂直距离/m 抽放瓦斯浓度/ 据1号钻场考察得出该工作面的顶板覆岩卸压区裂隙发育区域是关键层的中下部（裂隙带）及裂隙带与规则冒落带的交界处，布孔的合理范围为顶板孔距13-1煤层垂直距离6～15m,最有效抽放范围为6～10m。因此，在该工作面1号钻场以后的顶板走向钻场布置时，适当提高钻场沿风巷向煤层顶板上升距离（3m），尽量打近水平长钻孔，使抽放钻孔孔身均位于有效抽放范围内，以保持钻孔长时间的高效抽放；2～7钻场顶板钻场在抽放钻孔孔口抽放负压20～30kPa时的抽放瓦斯量由1钻场的平均6～13m3/min增加并稳定在12～17m3/min,平均抽放瓦斯量达15m3/min，抽放瓦斯量占工作面总瓦斯涌出量的比例平均达44。通过顶板走向钻孔抽放瓦斯，明显减少了该工作面的瓦斯风排量和瓦斯超限次数和幅度，保证了工作面稳产高产；同时在瓦斯抽放基础上，加快了工作面的推进速度，适当降低工作面的风量，有效抑制了工作面采空区煤炭自燃，保证了工作面安全回采。该工作面回采原煤63.3万吨，平均月单产8.32万吨（最高月单产9.65万吨，进尺120m），取得了显著的社会效益和经济效益。 3.3 试验研究二 3.3.1 14713综采工作面概况 14713综采工作面位于潘三煤矿一水平西二采区，回采13-1－1煤层，工作面赋存标高- 684 ～- 741 m，工作面倾斜长145m,走向长994m,煤厚平均3.6m，采高2.9m，煤层倾角0～18，平均8；工作面煤层赋存较稳定，总体为一简单的单斜构造，直接顶为砂质泥岩、13-2煤、砂岩互层，平均厚度 7.6 m，老顶为粉细砂岩，平均厚度10 m，底板为深灰色泥岩，煤层顶底板封闭性较好, 实测煤层瓦斯含量10.91m3/t，为高瓦斯双突煤层，采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法，全冒落法管理顶板，单U型通风方式，绝对瓦斯涌出量为28 m3/min。 3.3.2 顶板走向钻孔合理布置参数确定 由于13-1煤层顶板覆岩的特殊结构，顶板以灰、深灰色泥岩及13-2煤层，平均厚度7.6m，由前面理论分析可知，13-1煤层回采后采空区上部不规则冒落带可达3.8m左右，规则冒落带高度在10m左右，规则冒落带向上发展到主关键层处才能形成稳定的“砌体梁”结构，其顶板覆岩主关键层应是距13-1煤层 22 m之上的厚 3.4 m致密较硬的灰色细砂岩，因此分析其裂隙发育带区域应在顶板覆岩主关键层为致密较硬的灰色砂页岩中，其距13-1煤层顶板法距22 m，其可作为确定顶板走向抽放瓦斯钻孔合理层位施工时参考。 3.3.3 顶板走向钻孔的施工与钻孔的保护 1471（3）综采工作面上风巷在掘进期间采用巷帮钻场深孔抽放措施，解决掘进防突和瓦斯超限，曾每隔50m在风巷两帮各设一钻场，钻场规格4m4m2.4m（长宽高），至工作面回采时各钻场仍保持完好。回采时决定利用原掘进期间的下帮钻场作为回采面顶板卸压抽放瓦斯钻孔施工的钻场。每间隔1个钻场作为顶板走向钻孔的钻场，这样相邻顶板钻场间距100m。在每个顶板钻场内施工5个长130m的顶板走向长钻孔，在前五个钻场施工走向长钻孔时，钻孔的终孔距煤层顶板法距12～16m，由于钻场是原掘进期间留下的巷帮钻场，钻场布置在煤层中，则施工的钻孔仰角较大，走向长钻孔有效利用段相对较短；同时由于条件受限，钻场内钻孔的封孔长度无法超过5m，这样造成封孔段在巷道顶板裂隙发育区，孔口封实不严，各抽放钻孔之间相互串气，漏气现象不可避免，通过对前五个钻场顶板走向钻孔抽放瓦斯的考察，抽放的瓦斯浓度在30左右，抽放瓦斯纯量在8～10 m3/min，抽放效果不是十分理想。 为解决抽放浓度低、抽放纯瓦斯量不大和钻场接替期间的瓦斯问题，我们进行了认真的分析和研究，根据1471（3）综采工作面的顶板覆岩结构，决定采取三项措施①适当增加顶板孔长度，保证相邻钻场钻孔超前距离不少于40m；②将顶板走向孔的终孔法距提高到15～20m； ③为防止钻孔压实、变形、不透气和孔口段密封不严，在钻孔内下Φ2”的套管，孔口20m是周边全封闭的，前段是周边有小孔的花管；以延长钻孔的有效抽放段、抽放时间和提高瓦斯抽放浓度。 .3.4 下Φ2”的套管措施顶板走向钻孔抽效果考察 在6号钻场内施顶板走长抽放瓦斯钻孔，1、2、3钻孔直接用水泥封孔，4、5钻孔采用下套管法保护措施；钻孔施工结束后立即接茬抽放，在3、4、5钻孔的抽放管路上分别安设计量仪表，考察单孔的抽果。表3为3、4、5钻孔的实际施工参数表，由于钻场在煤层中，钻场附近布置的走向长钻孔容易发生塌孔而踏实，同时封孔深度不够，钻场周围钻孔周边裂隙发育，密封不实，高负压抽放时漏气严重，实测未下套管的3孔抽放浓度较低，抽放量小，钻孔有效抽放范围短；当顶板走向抽放瓦斯钻孔采用下套管措施后，抽放瓦斯浓度和纯抽放瓦斯流量明显增加；当5孔下套管长度为86m时，当顶板走向钻孔距13-1煤层法距14～22m时，5顶板抽放钻孔的单孔抽放瓦斯量稳定在3m3/min左右，抽放瓦斯浓度在60％以上，明显提高了顶板孔的抽放瓦斯量。当在整个钻场内均采用下套管措施后，钻场的抽放瓦斯量稳定提高到12～15m3/min，达到了预期的抽放效果，保证了工作面的安全回采。 3 钻孔下套管与不下套管施工参数表 钻场号 钻孔号 与风巷夹角 仰角 孔深（m） 终孔距煤层顶板垂距m 终孔距风巷平距m 备注 11 3 6.6 8.6 121 19 14 没下套管 4 9.0 9.0 133 23 21 下Φ2”的套管50m 5 11.0 9.0 132 24 26 下Φ2”的套管86m 表4 钻孔下套管与不下套管抽放的抽放参数测定结果 测试日期 钻孔距煤层顶板法距 m 孔口负压 （kpa） 孔板压差 mmH2O 抽放浓度 抽放纯瓦斯量m3/min 3 4 5 3 4 5 3 4 5 3 4 5 3 4 5 8/3 17.0 20.0 21.0 16 18 12 60 35 100 70 55 100 1.80 1.78 3.37 9/3 16.2 19.2 20.2 22 26 18 75 90 100 60 65 100 1.75 2.10 3.37 10/3 15.5 18.5 19.5 16 16 12 90 95 100 45 60 100 1.44 1.97 3.37 11/3 14.8 17.8 18.8 18 21 22 35 60 95 40 47 85 0.80 1.23 2.80 12/3 14.0 17.0 18.0 14 11 10 100 120 110 5 40 95 0.20 1.50 3.30 13/3 13.3 16.2 17.3 14 10 10 100 120 110 5 45 60 0.20 1.66 2.10 14/3 12.5 15.6 16.7 12 8 10 90 120 110 5 40 50 0.16 1.47 1.92 15/3 11.9 14.9 16.0 10 11 10 100 110 100 10 40 100 0.34 1.40 3.37 16/3 11.2 14.2 15.3 14 11 10 100 100 110 12 45 96 0.40 1.50 3.40 17/3 10.4 13.5 14.6 / 12 10 / 95 110 / 30 95 / 1.00 3.53 18/3 9.8 12.8 14.0 / 11 11 / 90 100 / 20 90 / 0.64 3.00 5 主要结论 5.1顶板覆岩结构与关键层层位对煤层顶板覆岩破坏起非常重要的控制作用，一般情况下（1.0～1.3）M以下的直接顶岩层为不规则垮落带；（1.92～3.43）M之间的覆岩为规则垮落带，当距煤层（1.92～3.43）M处存在较坚硬的覆岩关键层时，可形成稳定的“砌体梁“结构；而在该位置不存在较坚硬的覆岩关键层时，则规则冒落带和裂隙带将继续向上发展，直至形成稳定结构。 5.2覆岩冒落线随工作面煤壁移动而周期性地移动。在顶板覆岩关键层周期来压破断前，靠近回采空间区域上部关键层下部覆岩将由裂隙带向规则冒落带和不规则冒落带逐渐过渡。顶板覆岩走向卸压抽放钻孔的合理有效孔位在层位上应布置在线弹性区及弹塑性区上覆岩层的裂隙区下部及规则冒落带上部，而不是采动断裂稳定后稳定的裂隙带下部。 5.3同一井田同一煤层，在不同区域由于其顶板覆岩结构的差异，其顶板卸压区范围及其有效顶板卸压抽放区域有可能存在较大差异。试验表明在采高2.9m条件下，针对潘三煤矿东西采区13-1煤层顶板覆岩结构特征，靠近回采线位置附近其顶板覆岩裂隙发育区是在距顶板7.6m之上的10.0m厚主关键层细砂岩中，其回采工作面顶板走向钻孔布置的合理层位是距煤层顶板法距6.0～15.0m， 相应的平距是5～15m；而针对西二采区13-1煤层顶板覆岩结构特征，靠近回采线位置附近其顶板覆岩裂隙发育区是在距顶板 22m之上的 3.4m厚主关键层细砂岩中，其回采工作面顶板走向钻孔布置的合理层位是距煤层顶板法距14.0～22.0m， 相应的平距是5～20m。 5.4由于巷帮钻场是布置在煤层中，钻场周围煤岩体裂隙发育，钻孔的密实封闭困难，采用下套管方法是解决抽放浓度低、抽放量小的较理想方法，其还有助于延长钻孔的有效抽放段和有效抽放时间。