穿层抽风采空区瓦斯钻孔位置的相似模拟研究.pdf

第 6期 肖长河 王林方前程穿层抽放采空区瓦斯钻孔位置的相似模拟研究 7 穿层抽放采空区瓦斯钻孑 L 位置的相似模拟研究 术 肖长河 r， 王林 ， 方前程 1 ． 河南理工大学安全学院， 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ； 2 ． 鹤壁煤业集团， 河南 鹤壁4 5 8 0 0 0 摘要 根据下石节煤矿的地质条件 ， 采用相似模拟材料试验得 出了下石节煤矿综放工作面采空区 上覆岩层 冒落带的高度， 并将研究结果应用于实践， 取得 了良好的效果。 关键词 采空区； 上覆岩层 ； 相似模拟 ； 穿层钻孔 ； 瓦斯抽放 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 7 4 9 X 2 0 0 7 0 6 0 0 0 7 0 3 0 引言 下石节煤矿 2 1 5综放工作面井下位于暗皮带井 东侧， 上部为 2 1 3工作面 已采 ， 下部为 2 1 7综放 工作面 未开拓 ， 西部为 2 1 4工作面 已采 ， 东部 为薄煤区至井 田边界 。井下工作面上、 下界 高程为 1 0 5 5 9 3 6 i n 。2 1 5工作面开采 4 煤层 ， 可采走 向 长度 1 4 9 0 i n ， 倾斜 长度 1 5 0 m；煤层 厚度 2 ． 2 5 1 5 ． 5 m， 平均 8 ． 9 7 m； 煤层倾角 3 。 一 7 。 ， 一般 5 。 左 右， 局部可达 9 。 ； 该煤层赋存稳定， 结构简单 ， 常含 夹矸 1 2层， 矸厚 0 ． 0 5～ 0 ． 3 m； 4 煤层伪顶为薄 层状泥岩， 厚度 0 0 ． 7 m， 一般厚 0 ． 3 m； 直接顶板 为灰 一 灰黑色粉砂岩 ， 砂质泥岩 ， 薄层状， 具滑面、 破 碎， 厚度3 ． 5～ 1 2 ． 7 m， 一般厚6 ． 2 m； 老顶为灰 一 灰 白色中粗砂岩 、 细砂岩 、 粉砂岩交互层 ， 中厚层状 ， 主 要成分为长石 、 石英 ， 斜层理发育 ， 分选性差 ， 泥质胶 结 ， 厚度 0～1 0 ． 5 m， 一般厚 4 ． 3 m。4 煤层直接底 板为炭质泥岩 、 根土岩 ， 其下为富县组花斑泥岩。 1 模拟试验研究 1 ． 1 相似模型设计 模型参数选取模型比例 1 5 0 0 ， 容重 1 ． 5 c m ， 模型框架规格 2 ． 4 i n 0 ． 1 6 i n1 ． 0 i n ； 观测方 收稿 日期 2 0 0 7一O 8 2 l 基金项目 国家“ 十五” 科技攻关专题 2 0 0 5 B A 8 1 3 D 0 8 一 O 1 作者简介 肖长河 1 9 6 8一 ， 男 ， 河南 鹤壁人 ， 河南理工 大学工 程硕 士研究生， 高级工程师 ， 现鹤壁煤业集团公司通风部工作， 主要从事 煤矿通风及安全技术管理工作。 法为观测标志点， 观测仪器为经纬仪配合钢板尺， 观 测精度为 0 ． 2 m m 。并在模型表面和煤柱上布置 了百分 尺， 其 量 程为 1 0 mm， 位移 观测 精度 为 0 ． 01 mm。 本模型为倾向剖面， 模型的原型长度为9 0 0 in ， 由于模型架限制 ， 模拟深度定 为 2 8 0 m， 模拟区域煤 层平均埋深为 4 7 0 i n ， 开采煤层为 4 煤层， 平均厚 度为 1 0 in ， 平均倾角为 8 。 ， 在模型中为简化条件， 将 模型中的煤地层倾角设定为0 。 ， 开采方法为走向长 壁。模型的具体参数如表 1 所示。 表 1 相似材料模型的具体参数 组数指标 模 型 比例 开采方法 工作面尺寸／ m 模型尺寸／ m 采放高度／ m 加载条件 时间系数 容重系数 力学相似系数 煤层倾 角／ 。 模拟方 向 1 ／ 5 0 0 全跨落法放顶煤开采 采宽 1 5 0， 煤柱 2 O 2 ． 4 0． 1 61 ． 0 1 0 自霞 2 2． 4 0． 9 6 5 21 0 倾 向 1 ． 2 模型的开采与观测 模型的开采 开采方法采用一次采全高， 一个工 作面一次采完 ， 间隔 4 d 相当于实际 3个月 后观 测。等到三个工作面开采完毕后， 间隔8 d 相当于 实际6 个月 等待上覆岩层稳定之后进行整体最后 一 次观测 。 陕西煤炭 2 0 0 7拄 岩层移动观测线布置方式 拆去护板后在模型 的正面 、 覆岩 内部插设测点。在基岩面每隔 2 0 e m 相 当于实际 1 0 0 m 各布设一条观测线 其 中一条 备用 ； 在第一个开采工作面的左侧 1 3 ． 3 e m 相 当 于实际6 6 m 处、 各条带中线处和各保留煤柱的中 线处间隔 1 5 c m 相当于实际 7 5 m 分别布置一条垂 直观测线 。各观测点采用大头针穿 1 e m正方形纸 片， 通过经纬仪观测大头针来计算岩层的位移情况。 观测方法 相似材料模拟试验的位移观测方法 ， 一 般有水准小钢尺法测垂直位移 ， 灯光透镜投影法 测水平和垂直位移等方法。本次模型实验的测点位 移采用经纬仪进行位移观测的方法。 1 ． 3 模型试验过程描述 2 1 5工作面开采后的状态 I 珏采宽度 1 5 0 m， 直接顶冒落， 冒落带位于直罗组砂岩内， 冒落带呈梯 形状， 工作面前方的冒落角 4 1 。 ， 后方冒落角4 3 。 ， 冒 落带高度约 4 5 ． 4 m， 为采厚的4 ． 5倍， 冒落带顶部 宽度 7 5 ． 8 m。 2 1 5工作 面开采后的状态 Ⅱ 开采宽度1 6 5 m， 直接顶跨落 ， 冒落带位于直罗组砂岩内， 呈梯形状 ， 工作面前方冒落角 为 3 9 。 ， 后方 冒落角是 5 3 。 ， 冒落 带高度为 6 3 ． 7 m， 为采厚的6 ． 4倍， 冒落角顶部宽 度 7 8 ． 8 m。 2 1 5工作 面开采后 的状 态Ⅲ 开采宽度 1 8 0 m， 直接顶跨落 ， 冒落带位于直罗组砂岩内， 冒落带呈梯 形状 ， 工作面前方冒落角 5 6 。 ， 后方 冒落角 4 4 。 ， 冒落 高度约 7 2 ． 7 m， 为采厚的7 ． 3倍， 冒落带顶部宽度 81 ． 8 m。 1 ． 4 模型实验结果分析 工作面开采形成的冒落带高度随工作面宽度的 增加 而增加 ， 2 1 5工 作面宽度 为 1 5 0 m ／ 1 6 5 m ／ 1 8 0 m， 其冒落带高度为4 5 ． 4 m ／ 6 3 ． 7 m ／ 7 2 ． 7 m， 为采厚 的4 ． 5倍／ 6 ． 4倍／ 7 ． 3 倍。在一定开采条件下， 工作 面越宽， 则冒落带高度越大。冒落带从延安组岩层 至直罗组岩层 ， 最高至直罗组砂岩 中。 2 工程应用 在下石节煤矿2 1 5 综放面灌浆巷内布置钻场进行 采空区瓦斯抽放。一组为 3 2 钻场穿层钻孔， 该组钻孔 是在未进行采空区冒落带高度测定前设计的， 钻孔布 置及参数如图 1 示 ； 另一组为 1 8 钻场穿层钻孔 ， 是参 照采空区冒落带测定结果设计的， 钻孔布置及参数如 图2 示。两组钻孔的主要差别在于 ①1 8 钻场穿层钻 孔终孔层位比3 2 钻场穿层钻孔高5 8 m； ②1 8 钻场 钻孔个数比3 2 钻场少 2 个。 3 2号钻场钻孔设计参数表 图 1 3 2 钻场穿层钻孔布置方式及参数 表 2为 3 2 、 1 8 钻场穿层 钻孔瓦 斯抽放情 况 对比， 由表 2得知 ①角度小 、 终孔层位低 的钻 孔 ， 瓦斯浓 度低 ， 瓦斯 抽放 量 小 ； 反 之 ， 瓦斯 浓 度 高， 瓦斯抽放量大。抽放期内， 3 2 钻场 7 孔平均 瓦斯 抽 放 浓 度 1 6 ． 8 ％ ， 瓦 斯 抽 放 量 0 ． 2 3 m ／ mi n ，1 孔平 均 瓦斯抽 放浓 度 1 9 ． 9 ％ ， 瓦斯 抽 放 量 0 ． 3 m ／ m i n ； 1 8 钻场 1 孔平均瓦斯抽放浓度 4 0 ％， 瓦斯抽放量 0 ． 6 2 m ／ m i n ； ②角度小、 终孔 层位低的钻孔 ， 瓦斯抽放量衰减较快 ， 有效抽放 瓦斯距离短； 角度大、 终孔层位高的钻孔 ， 瓦斯抽 放量衰减较慢 ， 有 效抽 放 瓦斯距 离 长 。3 2 钻 场 7 孔有效抽放时间仅为 1 2 d ， 1 孔有效抽放时间 仅为 2 2 d ； 1 8 钻场 1 、 2 孔有效抽放时间 1 92 4 d ； ③钻场内钻孔个数、 钻孔长度并非越多越好。 3 2 钻场共有 7个孔 ， 总孔长 度 4 6 0 m， 有 效抽 放 期内抽放瓦斯总量为 4 3 4 5 9 m ； 1 8 钻场只有 5 第6期 肖长河王林方前程穿层抽放采空区瓦斯钻孔位置的相似模拟研究 9 个钻孔 、 钻孔总长度 3 7 1 m， 有效抽放期 内抽放 瓦 3 8 ． 8 ％。 斯总量 为 6 0 1 9 2 11“ 1 ， 抽 放 瓦斯 量 比 3 2 钻 场 多 | ／ ／ ／ 辅 助 网 风 巷 、 I | ／ ／ ／ 问 槽 、 I l l [ 滏 浆 巷 1 8号钻场钻子 L 设计参数表 图2 1 8 钻场穿层钻孔布置方式及参数 表 2 3 2 、 1 8 钻场穿层钻孔瓦斯抽放情况对比表 3 结论 1 通过上面的相似模拟试验和现场实践， 可 以得出下石节煤矿 2 1 5综放工作面采空区冒落带的 高度范围为 4 5～ 7 3 m。 2 通过工业试验验证模拟实验结果与实测基本 吻合， 研究结果可以在铜川矿务局焦坪矿区进行推广， 值得一提的是随着地质条件和埋深的变化冒落带会发 生变化， 需在实际的生产过程中进一步修正。 参考文献 [ 1 ] 俞启香． 矿井瓦斯防治[ M] ． 北京 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 2 ． 2 ． [ 2 ] 黄乃斌， 张向阳．近距离采空区下开采覆岩移动 规律相似模拟研究[ J ] ． 煤炭技术， 2 0 0 6， 2 5 6 ． [ 3 ] 刘秀英 ， 张永波． 采空区覆岩移动规律的相似模 拟实验研究 [ J ] ． 太原理工大学学报， 2 0 0 4 ， 3 5 1 ． [ 4 ] 石金峰， 麻风海， 洪加明． 综采放顶煤条件下覆岩 冒落带、 裂缝带高度的探讨[ J ] ． 矿山测量， 1 9 9 6 ． [ 5 ] 刘泽功 ， 袁亮， 等． 高位巷道抽放采空区瓦斯实 践[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 1 ， 2 9 1 2 ． S i mu l a t i o n r e s e a r c h a b o u t d r i l l l o c a t i o n s i n d r a i n i ng g o b g a s X I A O C h a n g h e ， WA N G L i n ，F A N G Q i a n c h e n g 1 ． S a f t y S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 3 ，C h i n a ； 2 ． H e b i c o a l g r o u p ，H e b i 4 5 8 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a t X i a s h i j i e c o a l mi n e ， 【 h e h e i g h t o f ” t h r e e b e l t s ”o f c o a l c a v i n g f a c e i s o b i n e d b y s i m i l a r ma t e ri a l s s i mu l a t i o n e x p e rime n t s ．T h e r e s u l t s a r e a p p l i e d t o t h e p r a c t i c e ，a n d a c h i e v e g o o d r e s u l t s ． Ke y wo r d s g o a l ； o v e r b u r d e n； s i mi l a r s i mu l a t i o n； we a r l a y e r s d ri l l ； me t h an e d r a i n a g e