刘成武
(陕西煤业化工集团孙家岔龙华矿业有限公司，陕西 榆林 719314)
近年来，随着煤矿开采深度、开采效率和开采强度的加大，矿井瓦斯涌出量也随之增大，本煤层和邻近层的瓦斯涌出量常常导致工作面瓦斯超限[1 -3]，针对工作面瓦斯超限问题，一般采用顺层抽采、埋管抽采、斜交抽采等，但是都存在着施工费用高、井下运输压力大、工期长等弊端[4 -6]。而采用高位定向长钻孔瓦斯抽采技术能有效缩短工期、降低费用、减轻井下运输压力，该项技术也已在山西、河南、贵州等诸多矿井推广应用[7 -9]。刘成军[10]对兴峪煤矿15508工作面采用高位定向长钻孔抽采技术，使得回风巷的瓦斯含量下降了0.258 m3/t。徐立鹏等[11]针对桑北煤矿11308工作面上隅角瓦斯超限问题，通过分析顶板岩层裂隙范围，合理布置了6个高位定向钻孔，有效降低了上隅角的瓦斯浓度。霍小泉等[12]提出高位定向长钻孔代替高位抽采对下石节煤矿2305工作面进行瓦斯抽采，使得瓦斯抽采量上升了约0.07 m3/t。
陕煤集团某矿4101工作面是首采工作面，该工作面走向长3 041 m，倾向长240 m。目前4101工作面采取了本煤层抽采、高抽巷抽采、上隅角埋管抽采等多种措施，但抽采效果较差。因此，有必要对目前抽采措施的效果进行分析，优化设计高位定向长钻孔抽采，并对4102工作面抽采措施进行探讨，以期为该矿井下一步抽采方案奠定基础。
该工作面为4号煤层，赋存稳定，厚度3.64～6.99 m，平均厚度4.5 m，工作面范围内6个钻孔除7-6煤层厚为6.99 m，其余平均为4 m。煤层埋深534.26～740.49 m。煤层结构简单，含1～2层夹矸，赋存较为稳定，夹矸岩性均以泥岩为主。该4号煤层为黑色，半亮型，层状构造，条带状结构，普氏硬度系数1.09左右。该煤属低变质烟煤(不粘结31号煤)，为优质动力、气化用煤和民用燃料。老顶以细粗粒砂岩为主，部分含有砂质泥岩、粉砂岩，具有小型交错层理，局部变形层理，泥质孔隙式胶结，可见黄铁矿结核。属半坚硬类较稳定型。直接顶板以泥岩为主，次为粉砂岩和细砂岩，直接底以泥岩、细砂岩为主。
根据文家坡4101工作面瓦斯涌出特点，本项目拟采用瓦斯分源预测法计算工作面瓦斯涌出量。分源预测法可以概括为：采区相对瓦斯涌出量等于平均每采一吨煤各瓦斯源涌出分量之总和，因此首先应对每一种瓦斯源计算其涌出分量，然后求和。每一涌出分量qi可以按式(1)求出
(1)
式中，qi为采区平均每采一吨煤第i瓦斯源所涌出的瓦斯分量，m3/t；
mi为瓦斯源所在煤层厚度，m；
m1为开采厚度，m；
x0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；
x1为煤的残存瓦斯含量，m3/t；
C1为瓦斯涌出系数，常数。
对于该煤矿4101工作面而言，工作面瓦斯涌出量主要包含煤壁瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量。由此可得煤壁瓦斯涌出量
(2)
采空区瓦斯涌出来源主要有受采动影响的卸压邻近层和开采层本身丢煤所涌出的瓦斯，即
Qh=QJ+Qk
(3)
式中，QJ为邻近层瓦斯涌出量，m3/min；
Qk为采空区丢煤瓦斯涌出量，m3/min。
(4)
Qk=ηm(1-ηr)(kX-Xc)+Q1
(5)
式中，A为回采工作面日产量，t；
m为煤层开采厚度，m；
mi为第i邻近层厚度，m；
Xi为第i邻近层的原始瓦斯含量，m3/t；
Ki为第i邻近层受采动影响的瓦斯排采率，%；
ηm为煤层总回收率，%;ηr为采煤回收率，%；
k为煤层开采瓦斯涌出系数，常数；
X为煤层原始瓦斯含量，m3/t；
Xc为煤的残存瓦斯含量，m3/t；
Q1为开采煤层(包括围岩)相对瓦斯涌出量，m3/t。
根据4号煤层邻近层资料可知，QJ=7.4 m3/min，Qk=0.84 m3/min，由此可得采空区瓦斯涌出量Qh=8.24 m3/min。
2.1 钻孔布置的确定
高位钻孔是布置在工作面顶板上方裂隙带中用于抽采工作面瓦斯的钻孔，其技术关键在于确定钻孔布置参数，确切地说就是确定瓦斯抽采的最优汇集区域，必须具备以下几个特征：① 汇集区域所在岩层的层位必须在长时间内稳定存在，保证具有相当长的瓦斯抽采时间；
② 具有稳定的高瓦斯浓度，成为采场范围内的一个“瓦斯库”，能保证较高的瓦斯抽采率；
③ 在采动影响下会产生一定的裂隙通道，能使临近层等较大范围处的瓦斯可以源源不断地进入；
④ 产生的裂隙通道不能过度畅通，以防大量空气进入，降低抽采浓度和抽采效率。
2.2 冒落带的确定
冒落带高度h冒主要取决于采厚和上覆岩石的碎胀性，通常为采厚的3～5倍。根据4101工作面的覆岩岩性特征，4101工作面岩性以泥岩和砂岩为主，岩石强度一般，按照中硬岩层处理，则可使用式(6)计算
(6)
式中，M为采高，m。4101工作面采高平均为3.5 m，工艺为综采工艺。根据公式可得冒落带高度h冒为7.67～12.1 m。
2.3 裂隙带高度的确定
岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂隙带。冒落带与裂隙带合称为“两带”。根据4101工作面中硬岩性，裂隙带高度可按照式(7)分析
(7)
4101工作面采高平均为3.5 m，按照公式可得裂隙带高度为30.8～42 m。
从以上计算可以看出，4101工作面冒落带7.67～12.1 m，裂隙带高度为30.8～42 m。同时为了保证高位钻孔的抽采效果，应将其终孔位置布置在冒落带上部、裂隙带的中下部，即：将终孔布置在距煤层顶板12～22 m为宜。因此，4101工作面高位钻孔施工时，应在回风巷沿煤壁开钻，施工一组钻孔，钻孔与巷道轴线水平方向的夹角分别为22°、25°、29°、32°和34.5°，与巷道轴线垂直方向的夹角分别为9°、11°、13°、14°和16°，施工钻孔总长分别为76 m、79 m、82 m、85 m和88 m。每隔40 m施工一组。
3.1 高位定向长钻孔瓦斯抽采效果
在该矿第3、4联络巷之间实施顶板定向长钻孔。共施工L2、H2、M3这3个顶板定向长钻孔，抽采效果如图1所示。
图1 4101工作面顶板走向高位定向长钻孔剖面轨迹布置Fig.1 Track layout of high level directional long drilling hole profile in roof strike of 4101 working face
从图1中可以看出，H2钻孔终孔距煤层顶板约29.5 m，其长度为192 m。M3钻孔层位在21～26.5 m，其长度为486 m。L2钻孔层位在13.5 m，长度为525 m。对正常回采期间长钻孔瓦斯浓度进行测试，结果如图2所示。从图2中看出，L2孔的瓦斯浓度较M3孔瓦斯抽采浓度大。由此，根据高位钻孔抽采机理，应将高位钻孔终孔位置设置在采空区上覆岩层的冒落拱上方的裂隙带中，即冒落带的上部和裂隙带的中下部，这样才能保证卸压瓦斯通过裂隙被高位钻孔抽采，达到降低工作面瓦斯涌出的结果。
图2 顶板定向长钻孔抽采瓦斯浓度Fig.2 Gas concentration diagram of roof directional long drilling hole extraction
3.2 工作面上隅角瓦斯抽采情况
采用“U+L”型通风系统后，上隅角瓦斯浓度一直较小，不超过0.3%。顶板定向长钻孔抽采瓦斯浓度如图3所示。
从图3中可以看出，高抽巷停抽后，4101工作面上隅角瓦斯浓度变化范围为0.14%～0.52%，而回风巷瓦斯浓度一直在0.1%以下。说明在4101工作面正常回采期间，采用本煤层抽采、上隅角埋管抽放等措施作用下，工作面、上隅角等区域瓦斯浓度并无超出《煤矿安全规程》等规定。
图3 顶板定向长钻孔抽采瓦斯浓度Fig.3 Gas concentration diagram of roof directional long drilling hole extraction
3.3 工作面瓦斯抽采率达标评判
4101工作面瓦斯抽采率为75.42%，符合各个规定的要求。抽采后，满足残余瓦斯压力Pc<0.74 MPa且瓦斯含量Wc≤3 m3/t的要求；
在4101工作面本煤层钻孔施工过程中也未发现喷孔、顶钻等异常现象。
抽采后煤的残余瓦斯压力计算煤的残余相对瓦斯压力(表压)按式(8)计算
(8)
式中，a，b为吸附常数；
PCY为煤层残余相对瓦斯压力，MPa；
Pa为标准大气压力，0.101 325 MPa；
Ad为煤的灰分，%；
Mad为煤的水分，%；
π为煤的孔隙率，m3；
γ为煤的容重(假密度)，t/m3。
根据各评价单元在抽采后煤层瓦斯含量和瓦斯压力的计算，抽采后，4101工作面煤层瓦斯平均含量为1.32 m3/t，煤层残余瓦斯含量均小于3 m3/t；
经计算，残存相对瓦斯压力小于0.74 MPa。
根据《抽采达标暂行规定》第29条：采掘工作面同时满足风速不超过4 m/s、回风流中瓦斯浓度低于1%时，判定采掘工作面瓦斯抽采效果达标。4101工作面配风量为1 844 m3/min，工作面切眼巷道断面面积为25.9 m2，风速为1.19 m/s，瓦斯浓度0.04%。由于4101工作面为首采工作面，矿井瓦斯抽采率即为4101工作面的瓦斯抽采率75.42%，符合表1所列的要求。
表1 瓦斯抽采率应达到的指标
综上所述，评判符合《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的要求，各项指标、条件均在要求值以下，所以判定该工作面瓦斯抽采达标。
(1)制定了4101工作面瓦斯抽采总体方案并进行优化，分析得出了造成本煤层钻孔瓦斯抽采浓度较低的原因，并据此优化了本煤层抽采半径，结合4101工作面、4102工作面瓦斯赋存情况及衰减特征，将4102工作面本煤层瓦斯的抽采半径调整为3 m，对于加强工作面瓦斯治理、降低瓦斯防治成本具有明显的指导意义。
(2)进行了4102工作面瓦斯抽采设计，对4101工作面、4102工作面瓦斯基础参数进行了大量的测试，进行了矿井瓦斯抽采的必要性和可行性分析，以此得到工作面瓦斯抽采方案，提出了采用本煤层预抽、高位钻孔卸压抽采和上隅角瓦斯抽采联合抽采方案，并详细进行了工作面瓦斯抽采管理计算及管材选择分析，提出了钻孔施工安全技术措施。
(3)进行了工作面煤层瓦斯预抽效果评判，分别对瓦斯抽采基础条件达标、预抽煤层瓦斯效果进行评判，得出了经过瓦斯抽采综合治理，4101工作面瓦斯抽采率为75.42%，评判符合《煤矿瓦斯抽采基本指标》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的要求，各项指标均在要求值以下，各项条件均已达标，判定4101工作面瓦斯抽采达标。
猜你喜欢高位定向裂隙1～2月煤炭价格高位震荡 未来仍存较强支撑中国化肥信息(2022年3期)2022-05-05裂隙脑室综合征的诊断治疗新进展昆明医科大学学报(2021年5期)2021-07-22高位算起更方便数学小灵通·3-4年级(2021年3期)2021-04-13牛肉价格居高位 挖潜提升自给力今日农业(2020年19期)2020-11-06短期内麦价或高位趋稳今日农业(2020年18期)2020-10-27基于孔、裂隙理论评价致密气层石油地质与工程(2019年4期)2019-09-10偏序集上的相对定向集及其应用长春师范大学学报(2018年8期)2018-08-17裂隙灯检查的个性化应用(下)中国眼镜科技杂志(2018年1期)2018-02-08定向越野小学生导刊(2017年13期)2017-06-15《老炮儿》:在时代裂隙中扬弃焦虑电影新作(2016年1期)2016-02-27