煤矿高位钻孔瓦斯抽放技术的应用分析
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煤矿高位钻孔瓦斯抽放技术的应用分析
煤矿高位钻孔瓦斯抽放是进行瓦斯抽放的重要技术手段之一,对于有效解决邻近层与采空区的瓦斯抽放问题有着重要意义。为此,文章主要从高位钻孔瓦斯抽放的适用条件及合理层位的选择入手,重点对影响高位钻孔参数的主要因素进行了分析阐述,并切实提出了一系列针对高位钻孔设计参数进行优化的策略,希望给行业相关人士一定的参考和借鉴。
标签:煤矿;高位钻孔;瓦斯;抽放
引言
在对高位钻孔抽采瓦斯参数进行优化的过程中,需要对上覆岩层中冒落带、裂隙带以及弯曲下沉带(俗称“竖三带”)煤层的分布范围进行精准划分,特别是裂隙带的分布范围。随着计算机和互联网技术的不断发展,数值模拟和相关的理论计算被广泛应用到裂隙带分布范围的分析计算中,其与现场试验一样,具有重要的参考价值。
1 高位钻孔采空区抽采技术原理
通过采场覆岩移动规律,我们可以将竖直方向上的覆岩移动破坏分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带等“三带”,其中裂隙带则可以具体分为微小断裂带、普通断裂带和严重断裂带三种情况。同时,其在水平方向上也会形成重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区等三个区域。在对煤层的开采过程中,覆岩离层及裂隙的分布情况会直接影响到瓦斯的流动,对于煤层的离层裂隙而言,其不仅为瓦斯集聚提供了一定场所,更为瓦斯流动提供了相应的通道。
所谓高位钻孔指的是在风巷向煤层顶板进行的钻孔工作,而运用高位钻孔进行瓦斯抽放指的是将工作面回采采动压力的离层裂隙作为瓦斯抽放的主要通道。在这种压力的作用下,瓦斯就会顺着裂隙流到巷道或者抽采钻孔内,并运用抽采管路对其进行抽放。在具体操作过程中,尤其是高位钻孔距离工作面还有一段距离时,可能会抽出浓度比较高的瓦斯,说明在煤壁支撑影响区内,其煤层顶板已经形成了离层裂隙的瓦斯通道。工作面煤壁瓦斯受到采动压力的影响,可以解吸瓦斯,然后经由裂隙流入钻孔,这就是高位钻孔抽放的工作原理和重要作用。
2 高位钻孔瓦斯抽放的适用条件及合理层位选择
2.1 适用条件
通过抽放采空区或者围岩瓦斯的方式,高位钻孔能够对上邻近层瓦斯向采空区运动时予以拦截,对回风流和上隅角瓦斯超限的问题予以处理。因此,其主要对采空区、上部围岩以及邻近层工作面比较适用,换句话说,采空区瓦斯超限问题是高位钻孔瓦斯抽放技术解决的主要问题。
2.2 高位钻孔合理层位选择
高位钻孔合理层位指的是抽放效果比较好、瓦斯来源广泛且释放比较活跃的区域。通常情况下,高位钻孔抽放带理论下限要比顶板冒落带的高度要高,如果高位钻孔施工层比冒落带低,则需要与采空区进行直接沟通,这样做的结果是钻孔负压较小、流量大,但却有较低的瓦斯浓度。因此,下限通常位于煤层顶板的五到二十米范围,而部分煤层较厚、瓦斯含量比较高的区域则需要放顶煤工作面,此时其下限也可以置于煤层中。对于绝大多数煤矿而言,高位钻孔抽放带的理论上限煤层顶板的距离通常要低于五十米。若将封孔效果因素排除在外,那么层位越高,就会出现浓度越高的瓦斯抽放,同时抽放的混合量也比较小。大量实践证明,高位钻孔抽放带的理论前方界限应该位于工作面之前的几米处,且理论后方界限应该位于工作面之后的几十米处。
2.3 高位水平钻场及钻孔设计
2.3.1 确定钻场层位
通常情况下,钻场要进入煤层顶板过程中,钻孔开孔高度不得低于0.5米,降低钻孔施工倾角,有效提升钻孔的利用效率。此外,在综采面上风巷进行钻场层位确定时,首先依据20°向上施工4米,然后转入施工钻机平台,确保所有钻场均进入煤层顶板,且保持抽放钻孔与煤层顶板的距离要在5米以上。
2.3.2 确定钻场间距
地质条件和钻机性能对钻场间距有着决定性影响,一旦钻机有着较高的性能,且在优良地质条件下,则可以适当加长钻场间距,但在实际操作过程中仍旧要留有相应的余地。
2.3.3 确定钻孔数量
工作层面瓦斯涌出量以及抽放量对钻孔数量有着直接影响,为此我们要对煤层工作面的单孔抽放情况进行观测,一般直接91mm的钻孔,其单孔平均抽放量需要保持在0.5~1.0m3/min之上。所以们运用直径91mm的钻孔且瓦斯的涌出量在20m3/min以上时,需要设置五个钻孔,大大降低瓦斯涌出量。
2.3.4 确定钻孔倾角
在对钻孔倾角的确定过程中,需要谨遵尽可能增加钻孔有效抽放长度的原则。通常情况下,钻孔角度越小,其钻孔控制层位也就越容易达到要求,那么其有效抽放长度也就相应加长。然而在实际操作过程中,为达到理想状态,就必须不断加大钻场的施工压力,给瓦斯管理、钻场通风等方面工作带来严重影响。
2.4 综合防治技术
2.4.1 高位钻孔瓦斯抽放
无论在走向上还是在垂向上,高位钻孔抽采在理论上都存在着一定的界限。就走向角度而言,高位钻孔能够有效解决工作面后方几十米范围内的上隅角瓦斯超限问题。因此,高位钻孔层位设计的关键问题就是对工作面后方有关覆岩裂隙分布特点加以确定。
2.4.2 立管抽放
为增强瓦斯抽放效率和抽放效果,可在回风巷内布设相应的立管,以便于对采空区的瓦斯进行抽放。如图1所示,该区域运用的是双立管交替埋管抽放的方式,将准219mm×30mm的钢管埋入采空区达到20m时,可在第五节钢管的工作面侧设置一根带有弯头的立管,然后经由弯头向远离工作面方向继续敷设准219mm钢管,且长度不能低于30m。同时,为了增强立管瓦斯抽放的效果,每间隔一段距离还需要设置一道封堵墙,并在其中填充相应的卡弗尼,以提升密封效果。
3 影响高位钻孔参数的主要因素分析
3.1 有效抽采裂隙带高度
所谓的有效抽采裂隙带高度指的是与高位钻孔采空区的抽采技术相关的核心参数,其对工作面采高、工作面长度及推进度、煤层顶板岩性等有着直接影响。其中,煤层顶板岩性遇到坚硬岩层时,需要适当降低抽采裂隙带高度;当工作面推进度较快时,需要适当降低抽采裂隙带高度;当工作面长度较小时,需要依据实际情况降低抽采裂隙带高度。有效抽采雷系带的高度约为采高的十七倍。当煤层顶板较硬时,其高度也有所降低(W2404、S2711、W1E406)。而煤层比较薄的工作面有效抽采裂隙带高度要比煤层比较厚的区域要低。3.2 煤壁支撑影响区长度
作为采空区高位钻孔技术的核心内容,煤壁支撑影响区距离受到煤层顶板岩性、工作面推进程度、工作面长度及倾角、仰采、俯采等众多因素的影响。煤壁支撑影响区距离大概在三十米到四十五米之间,相比于有效抽采裂隙带的高度而言,有着较大的变化空间。具体说来,主要表现为下面几个方面:一是开采高度越低,其影响的区域就会越长;二是当顶板比较坚硬时,有着较长的影响区域;三是工作面推进距离较短时,有着较长的影响区域。通过对工作面煤壁支撑影响区距离的比较,可以快速、精准得出工作面的俯采,从而采取有效措施缩短工作面煤壁支撑影响区的距离。除此之外,当工作面的倾角处于较大位置时,也就是处于上行风时,将会较大幅度缩短回顺煤壁支撑影响区距离,同时其高位钻孔与回顺之间的夹角也会相应缩小,对有效处理上隅角的瓦斯产生比较有利的影响。
3.3 高位钻孔设计参数优化
通过相应的模拟结论可以得出,随着煤矿工作面的不断向前推进,其裂隙带的高度也会不断增加,加上正常回采期产生的裂隙带与初采期产生的裂隙带有着本质的区别,所以第一钻场钻孔的设计方案也与其他钻孔的设计方案有着本质的区别。具体说来,主要表现为下面几个方面:第一,第一钻场需要在距离煤层顶板6-12米的岩层区域内科学布设钻孔终孔层位;第二,第二钻场及其他钻场则需要在距离煤层顶板12-30米的岩层区域内布设高位钻孔终孔层位;第三,第二、三钻场上下二排钻孔终孔走向的水平距离为20米,而第五钻场的上下二排钻孔以及第一、四钻场终孔走向的水平距离为10米;第四,前一钻场与后一钻场的钻孔保持一定的距离,使得其终孔位置始终处于工作面顶板破断面的外部,为确保前后钻场高浓度瓦斯抽放的连续性打下坚实的基础。同时,为确保前后钻场瓦斯抽放连续性效果,还需要对周期垮落步与采空区顶板破断脚之间的距离进行精准计算,从而有效得出钻场之间的钻孔设计压茬长度。
根据采动裂隙的“O”形圈理论,顶板高位钻孔在倾向方向上的有效控制范围与风巷的距离最大为40m,因此钻孔的终孔位置与风巷中线的平距必须小于40m。综合考虑工作面顶板在倾向及走向方向破断角,通过合理计算得出,在钻孔终孔与回风巷中线的平距为1-30m时抽放效果将最佳。同时,依据著名的采动裂隙“O”形圈定理,在倾向方向上,顶板高位钻孔的有效控制范围与风巷的最大距离不能超过40米,所以风巷中线与钻孔终孔位置间距必须低于40米。总而言之,经过对各方面因素进行综合考虑之后可以看出,回风巷中线与钻孔终孔的间距需要保持在1-30米时,瓦斯抽放的效果才最好。
4 结束语
总而言之,在将高位钻孔合理应用在于上隅角瓦斯抽放的过程中,通过对煤矿高位钻孔参数的深入分析和研究,得出采空区工作面的瓦斯浓度一直保持在0.1%-0.5%之间,符合规定要求,且瓦斯的抽放率可以达到六成以上,取得了良好的抽放效果,为煤矿安全生产奠定了夯实基础。
参考文献
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