煤层群开采工作面多源瓦斯抽采应用研究.pdf

收稿日期２０２００４２４作者简介曾上徕（１９６８－），男，湖南祁东人，工程师，从事煤矿瓦斯防治工作。ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０２０．０９．００４煤层群开采工作面多源瓦斯抽采应用研究曾上徕（兴源矿业有限公司，湖南耒阳４２１８００）摘要针对兴源矿业有限公司伍家冲煤矿２２６１工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度频繁超限问题，通过施工钻孔进行裂隙带瓦斯抽采，结果表明抽采钻孔平均单孔瓦斯抽采纯量为０．６４ｍ３／ｍｉｎ，有效降低了工作面瓦斯涌出量，消除了工作面瓦斯浓度超限的问题，减小了工作面风排瓦斯压力，保证了正常的回采进度和安全生产。关键词煤层群开采；垮落带；裂隙带；多源瓦斯抽采中图分类号ＴＤ７１２文献标识码Ａ文章编号１００５２７９８（２０２０）０９００２３０２ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｓｏｕｒｃｅＧａｓＤｒａｉｎａｇｅｉｎＣｏａｌＳｅａｍＧｒｏｕｐＭｉｎｉｎｇＦａｃｅＺＥＮＧＳｈａｎｇｌａｉ（ＸｉｎｇｙｕａｎＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｅｉｙａｎｇ４２１８００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙｅｘｃｅｅｄｉｎｇｔｈｅｌｉｍｉｔｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｒｎｅｒａｎｄｒｅｔｕｒｎａｉｒｌａｎｅｏｆ２２６１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎｗｕｊｉａｃｈｏｎｇｃｏａｌｍｉｎｅｏｆＸｉｎｇｙｕａｎＭｉｎｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｉｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｚｏｎｅｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅｓｉｎｇｌｅｈｏｌｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐｕｒｉｔｙｇａｓｉｓ０．６４ｍ３／ｍｉｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｅｘｃｅｅｄｉｎｇｔｈｅｌｉｍｉｔ，ｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆａｉｒｅｘｈａｕｓｔｇａｓｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ａｎｄｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｎｏｒｍａｌｍｉｎｉｎｇｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｓａｆｅｔｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｏａｌｓｅａｍｇｒｏｕｐｍｉｎｉｎｇ；ｃａｖｉｎｇｚｏｎｅ；ｆｒａｃｔｕｒｅｚｏｎｅ；ｍｕｌｔｉｓｏｕｒｃｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅ在煤层群开采条件下，首采煤层工作面开采后顶底板的变形使得邻近煤岩层之间形成利于瓦斯运移的裂隙和通道，导致工作面瓦斯涌出量加大，易引起工作面瓦斯浓度超限，制约工作面正常回采进度，甚至威胁矿井安全生产［１－３］。工作面回采后，采空区顶板变形垮落，由下到上形成三带，即垮落带、断裂带和弯曲下沉带，三带的受破坏程度和受力情况各有特征［４－５］，许多学者针对三带的特征展开了大量研究和现场实际应用。黄森林［６］通过现场实测、理论分析和现场试验相结合的方法，综合得出工作面垮落带高度，为高位钻孔参数设计提供了可靠的技术数据；韩彪［７］从经验公式和数值模拟两方面研究得出垮落带和裂隙带的高度，在此基础上，设计并施工了高位钻孔进行裂隙带瓦斯抽采，解决了邻近层瓦斯涌出量大的问题；崔永青等［８］基于马堡煤矿地质特征，采用ＲＦＰＡ软件模拟和现场考察，研究得到了矿井工作面开采后覆岩破断与垮落规律，划分了“ 三带” 的分布区域；杜康［９］采用ＵＤＥＣ数值模拟软件对上屯留煤矿工作面上覆岩层的移动规律进行了数值模拟研究，得出了采空区上覆岩层垮落带的发育规律和高度；杨枫等［１０］现场进行了裂隙带高位抽采钻孔、高位抽采巷道和采空区抽采钻孔３种方法的对比试验，对３种钻孔的瓦斯抽采效果进行分析，通过３种钻孔进行的瓦斯抽采杜绝了工作面瓦斯浓度频繁超限的发生，加快了工作面推进效率，且将高效抽采的瓦斯直接用于发电，取得了良好的经济效益。上述研究都是针对采空区上方“ 三带” 和瓦斯抽采应用，均取得了很大成效。本文基于矿井煤层群开采以及煤层赋存不稳定的实际情况，研究工作面垮落带和裂隙带的高度范围，通过提前施工钻孔对裂隙带瓦斯进行抽采，有效降低工作面瓦斯涌出３２试验研究总第２５３期量，解决工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度超限的问题，以期对矿井的瓦斯治理和安全生产提供指导。１矿井概况兴源矿业有限公司伍家冲煤矿主采６号煤层，上部２、３、５号煤层为不稳定局部可采煤层。６号煤层厚度为０～２０．２ｍ，平均厚度为３．３１ｍ，上距５号煤平均距离为２９．８１ｍ；５号煤厚度为０～１．９８ｍ，平均０．６１ｍ；５号煤上部１８．３５ｍ为３号煤，平均厚度０．５５ｍ；３号煤上部２０．１３ｍ为２号煤，平均厚度０．７１ｍ。２２６１工作面位于伍家冲煤矿２２采区南翼，上至－１９５ｍ标高为界，下至－２４４ｍ标高为界，工作面平均走向长３８５ｍ，倾斜长１０２ｍ，面积３９２７０ｍ２，平均煤厚２．５ｍ，倾角１２。在２２６１工作面回采期间，工作面经常出现超限事故，分析原因是由于其上邻近煤岩层大量卸压瓦斯通过贯穿的裂隙通道涌入回采区域，同时本煤层采空区遗煤瓦斯进一步加大了工作面瓦斯涌出量，极易造成工作面瓦斯超限事故，威胁安全生产。２垮落带和裂隙带高度计算２２６１工作面采用全部垮落法管理顶板，采高为２．５ｍ，则依据如下公式［１１］计算可得工作面采空区上方垮落带和裂隙带高度分别为垮落带高度ｈ＝１００Ｍ６．２Ｍ＋１０＋２．５裂隙带高度ｈ＝１００Ｍ３．１Ｍ＋６＋６．５式中Ｍ为开采高度，２．５ｍ。计算可知，工作面的垮落带和裂隙带高度分别为１２．３０ｍ和２４．６８ｍ，则工作面垮落带范围大致为采空区上方０～１２．３０ｍ之间，裂隙带高度范围为采空区上方１２．３０～３６．９８ｍ之间。３瓦斯抽采钻孔布置随着工作面的持续推进，煤层顶板变形垮落，逐渐形成垮落带；而垮落带上方的岩石受到下部垮落岩石的影响，导致压力失衡进而出现下沉，产生垂直断裂或离层，最终形成裂隙带，在此之间煤岩体内积聚的瓦斯受卸压影响而释放，并在裂隙带内存储下来，瓦斯压力明显增高，此时向该区域打入钻孔，一方面为这些瓦斯提供了流动的通道，另一方面抽采孔的负压也会使瓦斯的流动增强，从而抽采出大量卸压瓦斯。在工作面回风巷靠工作面一侧向煤层顶板方向以一定倾角掘进一条长５ｍ左右的巷道，落平后布置钻场，相邻钻场间距为３０ｍ左右（可依据煤层赋存状况进行适当调整），钻场长２ｍ、宽２．２ｍ、高２．２ｍ，每个钻场布置９个钻孔，钻孔终孔位置位于采空区上方１５～４０ｍ范围裂隙带内，钻孔终孔间距为６ｍ，钻孔布置见图１所示，表１所示为其中３号钻场钻孔参数。图１垮落带和裂隙带瓦斯抽采钻孔布置表１３号钻场高位钻孔施工参数孔号方位／（）倾角／（）孔深／ｍ３－１３５２８３４．２３－２２６３６３７．２３－３１７４３４１．４３－４３７３２３５．４３－５２４３７３７．９３－６１３４２４２．６３－７３５３０３５．８３－８２５３５４０．１３－９１４４２４２．５当工作面推进至抽采钻孔的抽采范围内时，钻场内的瓦斯抽采钻孔开始抽采作业，为保证抽采作业的持续性，当前一个钻场抽采作业结束时，后一个钻场的钻孔进行接替抽采作业，以此形成循环接替抽采系统。４抽采效果分析以３号钻场的９个抽采钻孔的瓦斯平均抽采效果为例，见图２，当工作面推进至钻孔的抽采范围内时，钻孔的瓦斯抽采效果开始显现；随着回采的进行，采空区上部煤岩体垮落、裂隙增加，涌出的瓦斯通过抽采钻孔被大量抽出，此时钻孔处于高效抽采阶段，抽采浓度和抽采流量大幅度增加，抽采钻孔平均抽采浓度３５％，平均抽采纯量０．６４ｍ３／ｍｉｎ，最高达到１．５０ｍ３／ｍｉｎ；在钻孔抽采的最后阶段，钻孔的绝大部分因垮落带的垮落和随裂隙带的沉降而失效，抽采效果下降直至回采面推过钻场，钻孔作废，下一抽采钻场开始接续抽采。作为游离瓦斯的富集区，裂隙带内瓦斯抽采效果较为理想，且能持续较长时间；同时在钻场内钻孔抽采期间，工作面回风流和上隅角（下转第３６页）４２２０２０年９月曾上徕煤层群开采工作面多源瓦斯抽采应用研究第２９卷第９期但下伏双层被保护层出现不连续的卸压情况，分析可能是由于上下分层的互为影响而削弱各自的膨胀变形量，且受到不同煤层的物理性质的差异化影响，煤层顶底板膨胀变形量也会发生相应变化。由此可知，戊９煤层在一定程度上影响了戊１０煤层的应力卸压效果。参考文献［１］姚军朋，贾澄冰，张子敏，等．近距离保护层开采瓦斯治理效果［Ｊ］．煤炭科学技术，２００８（１）５３－５６，９７．［２］于不凡，王佑安煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，２０００．［３］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．防治煤与瓦斯突出规定［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，２００９．［４］沈明荣，陈建峰．岩体力学［Ｍ］．上海同济大学出版社，２００６．［５］张拥军，于广明，路世豹，等．近距离上保护层开采瓦斯运移规律数值分析［Ｊ］．岩土力学，２０１０，３１（Ｓ１）３９８－４０４．［６］汪东生．近距离煤层群开采保护层开采瓦斯立体抽采防突理论与实验研究［Ｄ］．徐州中国矿业大学，２００９．［责任编辑王伟瑾檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲］（上接第２４页）瓦斯浓度均在超限浓度值以下，无瓦斯浓度超限事故发生，说明所实施的瓦斯抽采措施达到了预期效果，大大降低了工作面风排瓦斯压力，保证了安全回采。图２裂隙带钻孔瓦斯抽采效果５结语１）工作面采空区垮落带和裂隙带的形成需要一定的时间，在此期间可通过提前合理施工瓦斯抽采钻孔进行卸压瓦斯抽采，有效减少工作面的瓦斯涌出量。２）由于煤层赋存的不稳定性，可依据煤层的赋存情况，灵活调节和合理施工裂隙带抽采钻孔，通过现场抽采效果考察，所施工的钻孔可进行采空区裂隙带和邻近煤岩层瓦斯的抽采（多源瓦斯抽采），抽采浓度和纯量分别为３５％和０．６４ｍ３／ｍｉｎ，大大降低了风排瓦斯压力，解决了上隅角及回风流瓦斯超限问题，保障了安全生产。参考文献［１］胡千庭，赵旭生．中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１９，３９（５）１－６．［２］方良才，夏抗生．淮南矿区区域性瓦斯治理成套技术实践［Ｊ］．煤炭科学技术，２００９，３７（２）５６－５８，９３．［３］李登华，高眗，刘卓亚，等．中美煤层气资源分布特征和开发现状对比及启示［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１８，４６（１）２５２－２６１．［４］何国清，杨伦．矿山开沉陷学［Ｍ］．徐州中国矿业大学出版社，１９９１．［５］段绪华，凌标灿，金智新．煤矿顶板事故防治新技术［Ｍ］．徐州中国矿业大学出版社，２００８．［６］黄森林．覆岩垮落带高度对高位钻孔瓦斯抽放效果影响的研究［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１３，４０（６）１５－１８．［７］韩彪．垮落带和裂隙带高度预测及高位钻孔瓦斯抽采技术应用［Ｊ］．能源与节能，２０１９（９）１６３－１６４．［８］崔永青，孙亮．马堡煤矿采动覆岩“ 三带” 划分数值模拟研究［Ｊ］．煤矿现代化，２０１９（２）９２－９４，９７．［９］杜康．大采高工作面上覆岩层发育特征的数值模拟［Ｊ］．现代矿业，２０１５，３１（９）４－６．［１０］杨枫，郑金龙，王联．近距离煤层群开采工作面瓦斯超限治理技术研究［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１９，４７（５）１２６－１３１．［１１］王福厚．高位钻孔抽放瓦斯垮落带及裂隙带高度确定方法［Ｊ］．煤炭技术，２００８（８）７５－７６．［责任编辑王伟瑾］６３２０２０年９月鲁稳等双层被保护层的上保护层开采岩层移动和卸压规律数值模拟第２９卷第９期

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