高位钻孔瓦斯抽放参数的确定.doc

第18卷 第4期 2008年7月 黑 龙 江 科 技 学 院 学 报JournalofHeilongjiangInstituteofScience高位钻孔; O 型圈;钻场间距 中图分类号TD712.61文献标识码A Determinationofhigh levelboreholegasdrainageparameters HOUFengcai, ZHANGGuohua CollegeofSafetyEngineering,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China AbstractThispaperisanefforttogiveinsightintothetheoryofhigh levelboreholegasdrainageinordertoachievedualpurposesofpreventingcoal minegasdisastersandexploitingthegasresourceseffec tively.BasedontheanalysisoftherulesgoverningcollapseofgoafroofintheoverlyingstrataspatialstructureandtheO shapecircletheoryofmining inducedfractures,thepaperpresentsthetheoreticalcalculationofboreholeeffective heightscopeandthearrangementscopesofboreholesalongthetendency.Itfollowsthatthedrilling fieldspacingshouldbelessthanthedifferencebetweentheboreholelengthinpracticalconstructionandtheboreholeoverlappingarea.Thefieldapplicationyieldsgreattech nologicalandeconomiceffec.t Keywordsgasdrainage;high levelborehole;O shapecircle;drilling fieldspacing 0 引 言 高位钻孔瓦斯抽放是沿着工作面回风顺槽,每 隔一定的距离斜向预采煤体顶板开掘一个钻场,在 采空区顶板裂隙带层位上布置钻孔,抽放采空区冒 落带及裂隙带内的瓦斯,进而改变采空区流场分布。 它的作用是,解决采空区上隅角一带瓦斯大面积积 聚和回风流瓦斯超限问题。 收稿日期2008-06-10 基金项目黑龙江省教育厅基金资助项目105512751 瓦斯抽放参数高位钻孔瓦斯抽放又称顶板裂隙带抽放。回采工作面周围的采动压力场,在垂直方向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,在水平方向上形成煤壁支[1]撑影响区、离层区和重新压实区。在这个采动压力场中形成的裂隙区间,便成为瓦斯流动的通道[2]。采空区内的瓦斯由于受瓦斯浮力和通风总 260黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第18卷 依据生产实际,Lc不应小于工作面超前支护距离20m与裂隙带滞后采线距离一般取510m之和,即不小于2530m;裂隙带滞后采线距离与回采速度有直接关系,回采速度快则滞后距离长,回采速度慢则滞后距离短。同时,为确保Lk位于裂隙带范围,则应确保Lc的远离钻场端位于裂隙带范围,当钻场布置在冒落带上部时应适当调整钻孔的仰角来确保Lc的远离钻场端位于裂隙带范围,当钻场布置在裂隙带下部时,则不需考虑此问题。 显然,钻场间距不应大于钻孔的有效长度。当由于地质条件等因素个别钻场在设计地点无 , k-1cos 2 法施工时,应减小本钻场与前一钻场的间距而不应加大钻场间距,以确保本钻场的钻孔与前一钻场的钻孔的重叠区长度,此时,钻孔总长度可相应减小。 1.3 钻孔沿倾向布置范围 根据文献[5]提出的采动裂隙 O 形圈理论, O 形圈为采空区瓦斯流动和贮存提供了通道和空间,是采空区瓦斯聚积的地方,因此若要大面积、长时间、高效率地抽放采空区的卸压瓦斯,需将瓦斯抽 [6] 放钻孔打到 O 形圈内。 负压的作用,主要分布在顶板裂隙带内且靠近采面回风侧。高位钻孔的抽放负压,加速了裂隙带内瓦斯的流动的瓦斯。 [3] ,从而使高位钻孔能够抽出高体积分数 1.1 钻孔有效高度范围及钻场高度 根据采空区顶板岩层移动 三带 理论和采空区内瓦斯运移规律,有效的钻孔高度Hz应位于裂隙带范围,故应满足 HmHzHl, 式中Hm 冒落带的高度,m; Hl 裂隙带的高度,m。 冒落带高度为 [4] 1 Hm 式中M 采高,m; k 冒落岩石的平均碎胀系数; 煤层倾角, 。 [4] 裂隙带高度一般采用经验公式 c。3 aMb 式中a、b、c均为待定常数,可根据煤矿设计规范确 Hl 定,见表1。 表1 待定常数取值 Table1 Takueofundeterminedconstant 岩层性质坚硬中硬软弱极软弱 a1.21.63.15.0 b2.03.65.08.0 c8.95.64.03.0 2 实例分析 龙煤集团鸡西分公司杏花煤矿23层为该矿主力开采煤层,煤层平均厚度1 9m,平均倾角10 ,工作面相对瓦斯涌出量为17 834 6m/,t区域煤层 综合柱状图如图1所示。 3 注表中取值适合于单一缓倾斜和倾斜煤层 将式2、3代入式1,得到钻孔有效高度 c。Hzk-1cos aMb考虑到钻孔的有效利用及钻场施工的难易程度,钻场应布置在冒落带上部或裂隙带下部。1.2 钻孔有效长度及钻场间距 钻孔有效长度取决于钻孔的总长度和重叠区长度,且应确保其位于裂隙带范围。即 LkLz-Lc, 式中Lk 钻孔有效长度,m; Lz 钻孔总长度取决于现场地质条件与钻机施工能力等因素,m; Lc 重叠区长度,即钻孔沿工作面推进方向上的 搭接 长度,。 图1 23层区域煤层 Fig.1 23coalbedarea 第4期 侯凤才,等高位钻孔瓦斯抽放参数的确定261 各采区均采用走向长壁后退式开采,工作面平均长度为150m。在初期的回采过程中,工作面平均因瓦斯超限而停产达35次/d,严重制约着生产能力的正常发挥,为消除瓦斯超限的影响,杏花煤矿依据以上理论与方法采用高位钻孔技术进行瓦斯抽放。 2.1 钻孔有效高度及钻场高度 根据23煤层赋存特征,计算过程中M、k、 分别取1 9m、1 2、10 ,待定常数a、b、c分别取1 2、2 0、8 9。由此依据式2得到冒落带高度为9 65m;依据式3得到裂隙带高度为44 4 8.9m,取下限值时为35 5m。由此确定钻孔有效高度为9 6535 5m。 考虑到钻场钻窝的稳定性及易于维护,钻场高度确定为10m即钻场钻窝位于平均厚度为5 6m的细砂岩内。 2.2 钻孔有效长度及钻场间距 根据杏花煤矿23煤层赋存特征及现有的生产条件,钻孔的经济施工能力为100120m深,由此确定钻孔有效长度为70m左右,进而确定钻场间距为70m,当个别钻场在设计地点无法施工时,减小本钻场与前一钻场的间距,此时,钻孔总长度相应减小。 2.3 钻孔沿倾向布置范围 根据采动裂隙 O 形圈理论及现场实际观测,钻孔沿倾向布置范围确定在距回风顺槽1035m。2.4 应用效果 杏花煤矿依据以上理论与方法,在各采区23煤层回采工作面应用图2以来,效果十分明显,平均瓦斯抽放率达到55局部达65,因工作面瓦斯超限而造成的停产次数由原先的35次/d降低到13次/月,大大提高了矿井安全系数,通风能力得到提高,抗灾能力大幅度增强,有效保证了工 作面生产能力的正常发挥。 编辑 王 冬 图2 杏花煤矿高位钻孔布置 Fig.2 Xinghuaminehigh levelboreholefigue 3 结 论 1采用高位钻孔瓦斯抽放技术,钻孔有效高度应在 裂隙带 范围。 2钻孔的有效长度取决于实际钻孔长度和重叠区长度,且应确保其位于裂隙带范围。钻场间距不应大于钻孔的有效长度。 3钻孔沿倾向布置在 O 形圈范围,而 O 形圈的理论范围还需根据煤层倾角等具体地质条件做进一步研究。 4文中理论应用于杏花煤矿,取得较好的效果,有推广价值。但应根据地质条件等各种因素适当调整参数,以期取得最佳效果。参考文献 [1] 钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制修订本[M].北京煤炭 工业出版社,1991. [2] 钱鸣高,缪协兴,许家林,等.岩层控制的关键层理论[M].徐 州中国矿业大学出版社,2003. [3] 张子敏,张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京煤炭工 业出版社,2005. [4] 沈光寒,李白英,吴 戈.矿井特殊开采的理论与实践[M].北 京煤炭工业出版社,1992. [5] 钱鸣高,许家林.覆岩采动裂隙分布的 O 形圈特征研究[J]. 煤炭学报,1998,235466-469. [6] 许家林,钱鸣高.岩层采动裂隙分布在绿色开采中的应用[J]. 中国矿业大学学报,2004,332141-144.