主焦煤矿顶板高位钻孔抽放瓦斯技术实践

岩层 序号 M10 M9 M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M －1 －2
。
岩层名称 细粒砂岩 中粒砂岩 中粒砂岩 中粒砂岩 中粒砂岩 砂质泥岩 泥岩、 薄煤 砂质泥岩 中粒砂岩 泥岩 二1 煤 泥岩 砂质泥岩
“破坏拱” 拱高( H g ) 由下式计算 H g = m z + m LX = — —垮落带高度; 式中: m z — m LX — — —裂隙高度; 1 L 2
［3 ］
: ( 4)
L— — —工作面长度， m， L = 130 m。 则 H g = m z + m LX = 3． 2． 3 1 L = 130 × 0． 5 = 65 m 2
裂隙带可抽高度区间( 终孔时钻孔高度) 裂隙带可抽 高 度 区 间 ( 距 煤 层 顶板 法 距 ) 应 为
23． 47 ～ 65 m， 高位钻孔处在此区间的孔段为有效抽 ， 放孔段 确定终孔钻位置时， 距煤层顶板法线距离在 ( 1) 此区间最佳。 3． 3 高位钻孔技术参数 ( 1 ) 终孔点与回 风巷 平 距。 由 于 风巷标高高， 采空区高浓度瓦斯易积聚回风巷的硬帮， 因此， 钻孔 ( 2) 与风巷水平距离越近， 理论效果越好， 经实测终孔点 与回风巷平距 10 ～ 25 m 效 果 最 佳。 钻孔场 间 的钻 孔压茬长度与钻场 抬 高 位 置、 钻孔 倾 角 和 偏 角 及钻 机可施工长度有关， 但 最 好 保 证 2 个 钻场的钻孔的 水平投影有效重叠段不小于 5 m。 ( 2 ) 开孔位置与终孔高度。终孔高度与开孔高 度差值越小， 即钻孔倾角越小， 钻孔处于有效抽放范 围 内 的 距离 越 长， 钻孔 利 用 率 越 高。21141 工 作面 开孔位置选择在回风巷的高位钻场。在裂隙带内布 置高位抽放孔( 钻孔终孔 ) ， 使 得 高 位 钻孔 能 够 抽 出 瓦斯。终孔位置高度在煤层 顶板 以 上 23． 47 ～ 65 m 之间。 ( 3 ) 钻孔并网与报废时间。在工作面推进至与 钻底 平 距 5 ～ 10 m 时 ( 孔 内 瓦斯 涌 出 ) 即可 并网 抽 放。当工作面推进 至 钻孔 最 低 有效 抽 放 高 度时 ( 距 孔口 5 m 左右) ， 钻孔必须停抽报废， 准备对下一个 高位钻场进行 抽 放。 随着 工 作面的 向 外 推 进， 各钻 场依次按 上 述 程 序 启 用 和报废， 直 至 工 作面结 束。 钻场报废后使用卡弗 尼 进 行 充填， 保 证 采 至 钻场 时 。 不出现瓦斯超限
( 1． 河南煤业化工集团安阳鑫龙公司， 河南 安阳市 455133 ; 2． 安阳市主焦煤业公司， 河南 安阳市 455141 ) 要: 介绍主焦煤矿 21141 回采工作面采用顶板高位钻孔进行瓦斯抽放的方法， 阐述抽 放原理及抽放工艺。实施该技术后， 有效抑制了瓦斯向上隅角和回风巷的大量涌出， 达到 摘 最佳抽放效果， 取得了显著的经济、 社会效益。 关键词: 瓦斯抽放; 高位钻孔; 抽放效果
49 根 据 宋 振 骐 院士 的 实 用 矿山 压 力 理论， 在采场 推进过 程 中， 采 场 上 覆 岩 层 中 会 形 成 1 个“破 坏 。该 “破坏 拱 ” 拱” 的 拱 迹 线 为 裂 隙 带 中 各“传 递 岩 梁” 的端部断裂线 和 裂 隙 带 与 缓 沉 带 的分 界 线。 冒 落带和裂隙带中已发 生 明 显运 动 的岩层 位 于“破坏 拱” 内， 而 冒 落 带 和 裂 隙 带 中 尚未 发 生 明 显运 动 的 “破坏拱” 部分岩层及缓沉带岩层位于 外
［3 ］
2
高位钻孔抽放原因
21141 工作面回采初 期采 用 本 煤 层 顺 层平 行 钻 孔和扇形钻孔预抽瓦斯。预计瓦斯涌出量可达10． 8 m / min， 而 回 采 初 期 实 际 瓦 斯 涌 出 量 高 达 13． 5 m / min， 其 中 风 排 量 平 均 为 9． 8 m / min， 本煤层抽
不一致性及开采情况不均衡， 瓦斯涌出不均匀， 回风 流中瓦斯浓 度 在 0． 7% ～ 1． 1% 。 虽 然相 继 采 取 调 节风 量 等 措 施， 一 度 将 工 作 面 风 量 加 大 到 1930 m3 / min， 使工作面回风巷瓦斯浓度降到 0． 6% 左右，
王启明， 等:
主焦煤矿顶板高位钻孔抽放瓦斯技术实践
1
概
述
但是回风巷风速正常为 3． 8 m / s ， 接近风速临界值， 所以靠风排和本 煤 层 预 抽瓦斯 未 能 解决 瓦斯 问题。 21141 采 空 区 瓦斯 涌 出量 占 整 个 回 采工 作 经测算， 面瓦斯涌出量的 43% ， 是造 成 上 隅 角 和 回 风 流 中 瓦 斯超 限 的 重 要 原 因。 经 过 考 察， 主焦煤矿决定对 21141 工作面采 取分 源 抽 放， 采 用 顶板 高 位 钻孔 抽 放补充措施进行试验。
垮落直接顶厚度( M z ) 按下式确定:
n
M z = M i
i =1
其中
n －1
M n ≤ h － M i ( K A － 1 )
i =1
时， 则岩层塌落
n
M n +1 ＞ h － M i ( K A － 1 )
i =1
( 3)
m; M i 时， 岩层进入老顶范 围。 式 中 h 为 煤 层 厚 度， m; K A 为顶板岩层碎胀系数， 为岩层厚度， 取 1． 3 。 对 照 工 作面 顶板 岩层柱 状 图， 由上述判别式依 次进行判断: M1 完全垮落后， M2 、 M3 将 一 次 垮落， 由于他们 岩层较厚， 裂隙发 育 较 大， 将 分层分 次 冒 落， 下部冒 落成为不规则的 矸 石， 而上部冒落成为排列整齐的 大块状岩块。按照岩石常规分层规律， 中粒砂岩、 砂 质泥岩垮落的分层 厚 度 大 多 为 0． 3 ～ 3 m， 取 0． 8 m 作为细砂岩的分层条件。按照式( 2 ) 和 ( 3 ) 计 算， 判 定 M4 也将分层垮落。 M5 由于 M5 砂 质 泥 岩 硬 度 较 大， 裂 隙 发 育 小， 。 不再陷落
3
3
3． 1
抽放原理及抽放工艺
高位钻孔抽放原理
高 位 钻孔 瓦斯抽 放 又 称 顶板 裂 隙 带 抽 放， 是经 ， 济可行的瓦斯抽 放新 技术 主 要 作用 是以 工 作面 采
［1 ， 2 ］ 。 动压力形 成 的 顶板 裂 隙 作 为通 道来 抽 放 瓦斯 回采工作面推进过 程中， 采 动 对 上 覆 岩层 造 成 的 移
ISSN 1671 － 2900 CN 43 － 1347 / TD
采矿技术 第 11 卷 第 2 期 Mining Technology，Vol． 11 ， No． 2
2011 年 3 月 Mar． 2011
主 焦 煤 矿 顶 板 高 位钻 孔 抽 放 瓦斯 技术 实 践
1 2 王启明 ， 许卫东
n
故直接顶高度 M z = M i = 2． 64 + 8． 18 + 9． 56
i =1
+ 3． 09 = 23． 47 m。 3． 2． 2 传递岩梁发展范围( 裂断拱高) 的推断
50 3． 4
采
矿
技
术 表2
钻场 孔号 1 2 3 4 1号 钻场 5 6 7 8 9 10 合计 孔深 ( m) 111 112． 3 113． 5 114 115． 8 116． 8 118 119． 5 120． 1 121． 9 1162． 9
3 放量平均 为 3． 7 m / min。 该 工 作面 回 采 初 期 风 量 3 为 1030 m / min，由于 地 质 结构 影响 和 该 煤 层 抽 放 3 3 3
。
在 裂 隙 带 内 布置 抽 放孔， 煤层解吸出的游离瓦 斯在较高瓦斯压力作用下沿着垂直裂隙连续汇集到 抽放孔内。通过钻孔 内 的 抽 放 负 压， 加 速 了 瓦斯 的 流动 ， 使得高位钻孔能够抽出瓦斯， 以提 高 21141 工 作面瓦斯抽采量。 3． 2 裂隙带可抽高度确定 裂隙带高度是影响高位钻孔抽放效果的重要因 素。裂隙带高度可根据工作面矿压显现规律进行计 ［4 ］ 算， 得出裂 隙 带 的 理论 高 度 ， 再通过现场多种孔
主 焦煤 矿 位 于 河 南 省 安 阳 矿区 北 部， 东 距安 阳 市 38 km， 南距安阳县 水 冶 镇 15 km， 为安 阳 鑫 龙 煤 业公司的下属 矿 井， 隶 属 河 南 煤 业 化 工 集团。 主 焦 煤矿生产能 力 为 40 万 t / a 矿 井。 矿 井 采 用 中 央 分 列式 通风系统， 主、 副 井 进风， 专 用 风 井 回 风。 选 用 2 台 FBCDZ№26 /2 × 220 型 轴 流 风 机， 矿井总风量 4740 m3 / min。2009 年瓦斯 涌 出 等 级 鉴 定结 果 为高 3 瓦斯矿井， 相对瓦斯涌出量为 21． 23 m / t; 绝 对瓦斯 涌出量为 19． 97 m / min。煤层煤尘具有爆炸性。 21141 工作面 位 于 21 采区 北 翼 下 部， 走向长度 为 995 m， 倾斜 长 度 里 部 分 为 120 m， 外 部 分 为 145 2 m， 面积为 11． 67 万 m ， 可采储量约为 76 万 t。开采 二 叠 系 山 西 统 下 部 的 二1 煤 层 ， 倾 角 15° ～ 25° ， 煤层 平均 厚 度 为 6． 0 m。 采 用 走 向 长 壁 采 煤 法， 炮采放 顶煤， 一次采全高， 全部陷落法管理顶板。瓦斯含量 3 6． 74 m / t， 瓦斯压力 0． 39 MPa。
［5 ］
来自百度文库
深的抽放试验， 把 某 个 范 围 内 能 抽 到 高 浓 度 瓦斯 的 高度称为可抽高度。 3． 2． 1 定
［5 ］
垮落岩层范围( 直接顶厚度 M z ) 的分析
垮落 岩层 范 围 推 断 计 算 也 就 是 直 接 顶 厚 度 确 。煤层顶板岩层状况见表 1 。
表1 煤层顶板岩层状况
厚度 ( m) 8． 35 1． 91 1． 29 3． 42 1． 73 5． 6 3． 09 9． 56 8． 18 2． 64 7． 22 5． 57 3． 47 抗压强度 ( MPa) ( 70 ～ 100 ) ( 40 ～ 70 ) ( 40 ～ 70 ) ( 40 ～ 70 ) ( 40 ～ 70 ) ( 20 ～ 40 ) ( 20 ～ 40 ) ( 20 ～ 40 ) ( 40 ～ 70 ) ( 20 ～ 40 ) ( 10 ～ 20 ) ( 20 ～ 40 ) ( 20 ～ 40 ) 抗拉强度 ( MPa) ( 7 ～ 10 ) ( 4 ～ 7) ( 4 ～ 7) ( 4 ～ 7) ( 4 ～ 7) ( 4 ～ 7) ( 2 ～ 4) ( 2 ～ 4) ( 4 ～ 7) ( 2 ～ 4) ( 1 ～ 2) ( 2 ～ 4) ( 2 ～ 4) 标注 支托层 随动层 随动层 随动层 随动层 支托层 随动层 随动层 支托层 支托层
， 动裂隙 在 采 场 垂 直 方向 形 成 了“竖 三 带 ” 即冒落 ， 带、 裂隙带和缓沉带; 在水平 方向 形 成 了“横 三区 ” 即煤壁支撑影响 区、 离 层 区 和 重 新 压 实 区。 随着 工 ， “三 带 ” 作面推进 和“三区 ” 也 不 断 向 前 移 动， 这一 动态空间， 特别是 裂 隙 带 和 离 层 区 是 瓦斯 流 动 的 主 要通道。由于采动裂 隙 的 存 在， 为 采 空 区 瓦斯 流 动 和储集提供了通道和空间
2011 ， 11 ( 2 ) 1 号钻场高位钻孔施工参数
与巷道中心 线夹角( ° ) 86． 7 86． 2 85． 7 85． 0 84． 5 83． 8 83． 0 82． 6 82． 0 81． 7 打钻角 终孔点与回 终孔高 度( ° ) 风巷平距( m) 度( m) + 9． 2 + 9． 3 9． 7 + 10． 1 + 10． 8 + 11． 0 + 11． 3 + 11． 5 + 11． 7 + 11． 7 10． 1 11． 5 13． 1 14． 8 16． 5 18． 4 20． 4 21． 9 23． 6 24． 8 23． 8 24． 1 25． 1 26 27． 8 28． 2 29． 1 29． 9 30． 3 30． 8