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    徐世波,张朝川,陈永安,张红刚

     

     要:本文介绍了大兴煤矿12煤层首采1203工作面的瓦斯治理方法,用统计法分析了该工作面回采期间的瓦斯涌出来源(主要来源于采空区及邻近层),确定了通过回顺钻场斜交钻孔抽采、高位走向长钻孔抽采、千米定向钻孔抽采、底板瓦斯道抽采等瓦斯抽采方法,有效解决了瓦斯涌出问题,取得了很好的效果。

    关键词:瓦斯涌出;瓦斯抽采;千米定向钻孔;抽采效果

     

    大兴煤矿北二采区1203工作面为概况12煤层首采工作面,20182月下旬始采20197月中旬回采结束。在开采过程中相继采取了运、回顺本煤层、底板瓦斯道、埋管、回顺斜交钻孔、高位走向长钻孔、千米定向钻孔等抽采瓦斯方式,解决了回采期间的瓦斯问题。通过对该工作面安全回采的瓦斯治理措施进行分析总结,可得出瓦斯治理的宝贵经验,查找出治理瓦斯的不足方面,为类似条件下的其他工作面安全开采提供借鉴。

    1 工作面概况

    北二1203工作面位于北二采区中部,可采走向长1688m,工作面倾向长150m,面积250200m2。工作面布置见图1。工作面东侧为F15-1fN2-3号断层;西侧为F44号断层;南侧为主副井工业广场保护煤柱;北侧为F15号断层,与大隆矿相邻。上邻10-2煤层,不可采,一般煤层厚度为0.43m,与12煤层间距在57.6971.76m之间;12煤层上部小范围内发育有12-1煤层,煤厚1.09m,与12煤层间距为0.85m;工作面下邻13煤层,未采动,一般煤厚为2.66m,与12煤层间距在4.6119.43m之间,一般为12.88m。地表标高在+65.2+73.3m之间

    图1  北二1203综采工作面布置示意图

    本工作面煤岩形态总体为一单斜构造,煤层产状为193°~243°∠6°~10°。煤层厚度在3.02~5.13m之间,一般为4.12m。煤层呈黑色,以亮煤为主,暗煤次之,局部煤层中夹薄层炭质泥岩。煤层顶底板:老顶,岩性以粗砂岩和中砂岩为主。直接顶,以粉砂岩为主。底板:以粉砂岩为主。本工作面火成岩构造较发育,运顺、回顺、切眼均有小规模火成岩体侵入现象。

    2  瓦斯涌出来源分析

    2.1  瓦斯涌出情况统计

    截止到2018年8月末,北二1203工作面完成三分之一的开采进度,通过对该面从贯通、初采到老顶冒落后将近三个月的瓦斯浓度、风量和抽采量进行统计,得出了该阶段工作面的瓦斯涌出量变化情况。瓦斯涌出量的变化规律见图2。

    2  工作面瓦斯涌出量及推进度随推进最新版本万博app全站变化曲线  

    2.2 瓦斯涌出来源构成分析

    从图2曲线可以看出,工作面形成后至开采前,由于切眼及巷道预排瓦斯作用,工作面绝对瓦斯涌出量平均为5.66m3/min。随着工作面推进,风排瓦斯涌出量增大到14.50m3/min,此时的瓦斯涌出量可以认为是本煤层瓦斯涌出量;当推进到45m时,工作面顶板初次来压,下方邻近的1314-1煤层以及围岩卸压瓦斯通过斜交钻孔、底板瓦斯道等抽采方式抽出。这个阶段内,工作面抽采瓦斯量急剧增大,可达72.54m3/min,最大绝对瓦斯涌出量为80.88m3/min;随着推进,瓦斯涌出量呈起伏型变化,平均绝对瓦斯涌出量为50.41m3/min,平均抽采瓦斯量为42.51m3/min,本煤层瓦斯涌出占总涌出量的28.76%

    即确定该面的瓦斯治理思路——以采空区及邻近层卸压瓦斯治理为主,本煤层瓦斯治理为辅。

    3 措施实施及效果分析

    3.1  回顺斜交钻孔抽采技术措施

    北二1203工作面在整个开采过程中,共对31个钻场计施工斜交钻孔进行了抽采,钻孔工程量为30527m,抽采瓦斯纯量392m3222日回采以来8月末,回顺35#20#钻场陆续对采空区及邻近层瓦斯进行了抽采。从钻场斜交钻孔抽采数据统计来看,也存在着钻场有效抽采钻孔影响段较短、抽采效果一般、抽采最新版本万博app全站及钻孔参数需优化等问题。为了分析各钻场抽采接续的相互影响,作出33#32#31# 29#钻场斜交钻孔抽采量随推进最新版本万博app全站变化曲线如图3所示。

      

    3  斜交钻孔抽采量随推进最新版本万博app全站变化曲线

     从图3中可以看出,各钻场抽采接续时,斜交钻孔抽采瓦斯基本没有出现空档,仅在416日发生一次断档现象,此时斜交钻孔抽采纯瓦斯量仅有3.22m3/min32#高位钻场仅抽1.98m3/min31#钻场仅抽1.24m3/min),底板瓦斯道出现瓦斯异常涌出现象。经现场考察,是由于38#钻场有部分钻孔存在带压喷瓦斯现象。

    分析原因为:北二1203回顺32#高位钻场邻近工作面钻孔衰减,而后续的31#30#钻场斜交钻孔设计垂高偏高,钻孔均没有与裂隙带连通。30#钻场钻孔设计因要躲开32#高位钻场口顶板锚杆锚索,致使垂高偏高,没有发挥作用;此时29#高位钻场未开始抽采,因而出现断档现象。因此,斜交钻孔的合理层位选择非常重要。

    根据33#32#29#钻场钻孔参数设计,其合理层位应控制在顶板垂高1530m范围、工作面控制范围不应超过倾向长度的1/3通过钻场斜交钻孔抽采数据分析,随着老顶初次来压,斜交钻孔抽采量逐渐增大;随着工作面的逐步推进,顶板活动的周期来压,瓦斯抽采量呈起伏变化。可分析得出1203工作面老顶初次来压步距为47m,周期来压步距为19m。经统计,斜交钻孔抽采量占绝对量的37.0%,占总抽采量的43.6%

    3.2 高位走向长钻孔抽采技术措施

    1203工作面回顺8高位钻场施工了走向长钻孔进行了抽采。高位钻场在工作面顶板810m位置布置,钻场内施工1015个高位走向长钻孔,钻孔长度为80200m自回采开始至20192月,8个高位钻场的钻孔工程量为16808m,抽采瓦斯纯量为393m3

    3.2.1 高位走向长钻孔抽采效果

    从开始回采到20188月末,共有1#5#五个高位钻场施工沿工作面走向方位超百米长度的钻孔,并进行抽采。1#高位孔从37日开始抽采,抽采瓦斯量逐渐增大,最大纯流量达到23.56m3/min;钻场从311日开始算有效抽采段,则1#高位走向长钻孔有效抽采段达到136.8m而高位走向长钻孔最大孔深为141m。说明该钻场的走向长钻孔参数设计合理,抽采效果较好。

    3.2.2 高位走向长钻孔及斜交钻孔抽采瓦斯关联性

    11#高位钻场抽采收尾和2#高位钻场开始抽采接续期间,抽采量处于减小阶段,此时31#钻场抽采量急剧增大;同样2#高位钻场与3#高位钻场接续时,28#钻场抽采量急剧增大。说明钻场间抽采区域是可以相互影响的,高位钻场间衔接不及时可以用斜交钻孔抽采来补充。

    231#钻场有效抽采距离较小的原因是其在321日开始抽采到415日一直处于1#高位钻场有效影响范围之内,高位走向钻孔抽采量大,则31#钻场斜交孔抽采量就小。

    3)高位钻场的有效抽采段涵盖了其它钻场,从原理上来讲其作用效果是一样的,因此,在高位钻场有效抽采段可少布置斜交钻孔进行抽采,可节省工程量,提高工效。

    3.3 千米定向钻孔抽采技术措施

    北二1203回顺回风道内设置1处千米钻场,施工定向钻孔共有7个主孔、2个分支孔。2019312日开始连抽,千米定向钻孔抽采瓦斯纯量随推进最新版本万博app全站变化曲线见图4,该千米钻场平均抽采瓦斯纯流量为4.32m3/min,最大抽采瓦斯纯流量为9.29 m3/min

      

    4  千米定向钻孔抽采效果随最新版本万博app全站变化曲线图

     

    3.3.1 千米定向钻孔抽采效果分析

    1203工作面回顺千米定向钻孔抽采瓦斯量统计结果来看,1#梳状钻孔抽采效果相对较好,最大抽采瓦斯纯流量4.72m3/min,平均为1.49m3/min。有效抽采瓦斯最新版本万博app全站为96天,抽采瓦斯总量20.53m3。其它定向钻孔抽采瓦斯纯量为0.460.73m3/min,抽采瓦斯总量6.7810.38万m3。在斜交钻孔措施的配合下,能够有效解决工作面瓦斯涌出量大的问题。

    3.3.1 千米定向钻孔抽采效果与其它措施对比分析

    千米定向长钻孔自2019年3月中旬开始抽采到7月中旬结束,其抽采瓦斯纯量与斜交钻孔、底板瓦斯道抽采瓦斯量对比见表1。

     1 千米定向钻孔与斜交、底板道抽采瓦斯量对比表

    月份

    千米钻孔月平均抽采纯量/m3/min

    绝对量

    /%

    斜交钻孔月平均抽采纯量/m3/min

    绝对量

    占比/%

    底板瓦斯道月平均瓦斯抽采纯量/m3//%min

    绝对量

    占比/%

    绝对瓦斯涌出量

    /m3/min

    3

    2.10

    9.01

    8.81

    37.81

    10.13

    43.44

    23.31

    4

    2.70

    11.14

    7.81

    32.17

    11.88

    48.98

    24.26

    5

    4.84

    21.34

    7.57

    33.40

    8.75

    38.61

    22.66

    6

    5.76

    28.34

    3.74

    18.38

    9.29

    45.68

    20.33

    7

    6.22

    34.79

    0.60

    3.37

    9.34

    52.24

    17.89

     从表1可以看出,千米高位钻孔刚开始抽采的两个月中,抽采瓦斯量仅占总瓦斯涌出量的9%11%,而斜交钻孔则占38%、32%;到7月中旬工作面回采结束期间,千米高位钻孔抽采瓦斯纯量占到35%。即千米钻孔在6月、7月才起到主要作用。分析其原因可能有以下几种因素:

    ①刚开始抽采时,钻孔长度较长,抽采负压不足以将采动影响区的卸压瓦斯抽出;

    ②千米定向钻孔设计层位较高,钻孔未处于裂隙带或处于裂隙不发育的区域,导致抽采瓦斯量较少;

    ③12煤层顶板以砂岩为主,岩层较坚硬,工作面推过后顶板垮落步距较大,从而导致千米定向钻孔抽采采空区瓦斯较滞后,影响瓦斯抽采效果。

    3.4 底板瓦斯道抽采技术措施

    随着工作面的逐步推进,工作面上下邻近层围岩发生了运移而导致煤体卸压,底板瓦斯道穿层钻孔抽采瓦斯纯量也逐渐增大。从工作面推进74m开始到239m,平均抽采纯瓦斯量为15.26m3/min。底板瓦斯道平均抽采瓦斯量占绝对瓦斯涌出量的29.9%,占总抽采量的34.9%

     4 结论

    1)以统计法对北二1203工作面瓦斯涌出来源进行分析,该面回采过程中绝对瓦斯涌出量平均为50.41m3/min,其中本煤层瓦斯涌出占28.76%,高位钻孔及斜交钻孔抽采量占38.49%,底板瓦斯道抽采量占39.97%。从瓦斯治理效果分析来看,卸压抽采(斜交钻孔、底板瓦斯道)解决了78.46%的瓦斯涌出量。

    2)通过走向长钻孔抽采瓦斯效果分析,其具有有效抽采服务最新版本万博app全站长、抽采影响距离长、抽采瓦斯流量大的优点。虽然钻场内钻孔参数设计合理,抽采瓦斯效果较好,但高位钻场的有效抽采段涵盖了其它钻场,从原理上来讲其作用效果一样,因此,在高位钻场有效抽采段可少布置斜交钻孔进行抽采,这样可节省工程量,提高工效。

    (3)千米定向钻孔具有大孔径、长距离、精度准的特点,同时相对于高抽巷投资少工期短,抽采效果较好。应研究千米定向高位钻孔的布置参数与抽采效果的关系,使其达到合理有效应用,争取取代顶板巷,可缓解采掘接替紧张的局面。

    4从工作面推进74m开始到239m期间,由于工作面回采过程中卸压瓦斯通过裂隙涌入底板道,从而造成瓦斯异常涌出。通过采取向异常涌出区域底板施工抽采钻孔、加设临时移动泵进行抽采、增加工作面配风风量、提高局部精细化管理等措施,逐渐消除了隐患。


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