CN105804787B - 一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，包括如下步骤：测试钻场施工，测试钻孔施工，测试钻孔封孔，向测试钻孔内的未封堵段注入示踪气体SF6，回采工作面采空区瓦斯抽采管路敷设，示踪气体SF6浓度监测，由设置在采空区瓦斯抽采管路上的示踪气体SF6浓度监测仪捕捉SF6气体，不同垂高条件下SF6浓度直接反映出工作面上覆煤岩裂隙发育的高度。本方法利用示踪气体SF6的稳定性和易捕捉性，结合开采煤层自身条件，准确判定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度，该方法成本低且操作简易。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿回采工作面瓦斯防治领域，具体涉及一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法。
背景技术
煤矿回采工作面在采煤过程中破坏了煤层原始赋存状态，埋藏在岩石层中的煤炭被开采运输至地面，开采后形成大面积采空区，导致上覆煤岩层原始应力平衡状态被打破，将逐渐向采空区垮落形成冒落带、裂隙带和弯曲下层带的“三带”分布规律。瓦斯灾害是制约煤矿生产和危害人员安全的主要原因之一，回采工作面瓦斯主要来源于本煤层、围岩和邻近层。本煤层瓦斯是开采煤层在采煤过程中涌入采场和遗留采空区的落煤两部分瓦斯组成，这部分瓦斯可以通过实测煤体原始瓦斯含量得出。围岩瓦斯采用矿山统计方法以经验系数的方法得出。邻近层瓦斯是由于回采工作面在采煤过程中引起采动裂隙，从而引起围岩和邻近煤层瓦斯向开采煤层的采空区运移，且上邻近层是邻近层瓦斯主要来源，上覆煤岩体裂隙表现出“三带”的分布特征，现行煤矿普遍采用施工高位钻孔抽采上邻近层瓦斯，实践表明只有钻孔孔底位置控制在上覆煤岩裂隙带内才能高效抽采邻近层瓦斯，所以准确测定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度对治理工作面瓦斯至关重要。
针对邻近层瓦斯涌出量，中国煤矿采用国家规范《煤矿瓦斯涌出量预测规范》（AQ1018-2006）给定参数取值，以规范附图D.1确定回采工作面覆岩裂隙发育高度，从而给出邻近层瓦斯排放系数。关于测定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度，现有方法有采用商业软件数值模拟、实验室相似试验、窥视仪探测和经验估算法，这些方法存在工艺复杂、成本高和准确性低的问题，不能结合具体开采煤层条件准确测定开采煤层上覆煤岩裂隙发育高度。
发明内容
本发明的目的是提供一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，高效准确判定回采工作面上邻近层煤岩裂隙发育范围，从而指导施工瓦斯防治工艺。
所采用的技术方案是：
一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，包括如下步骤：
1）测试钻场施工：在煤矿回采工作面的回风顺槽回采侧每间距100m施工一个测试钻场，测试钻场规格尺寸为长4m×宽3m×高2m，共施工五个测试钻场；
2）测试钻孔施工：在第一个测试钻场内施工第一测试钻孔26，钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为5倍开采高度；在第二个测试钻场内施工第二测试钻孔27，钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为6倍开采高度；在第三个测试钻场内施工第三测试钻孔28，钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为7倍开采高度；在第四个测试钻场内施工第四测试钻孔29，钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为8倍开采高度；在第五个测试钻场内施工第五个测试钻孔30，钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为9倍开采高度；
3）测试钻孔封孔：在每个测试钻孔内采用膨胀水泥封孔，从测试钻孔孔口至孔底方向110m段为水泥封孔段，在孔底处保留10m空腔未封堵段，从未封堵段至测试钻孔孔口预设一根注气管，注气管上开设有注气阀门；
4）向测试钻孔内的未封堵段注入示踪气体SF6，先打开与注气管连接的注气阀门，再打开注气钢瓶段的控制阀门，并观测压力表和流量表，待压力和流量值稳定后记录读数，先关闭注气阀门后关闭控制阀门；
5）回采工作面采空区瓦斯抽采管路敷设，在工作面回风顺槽敷设采空区瓦斯抽采管路，管路抽采口布置在注示踪气体SF6段投影正下方的采空区内，管路抽采口处加工成筛孔管；在靠近回风顺槽口的瓦斯采空区瓦斯抽采管道上设置示踪气体SF6浓度监测仪；
6）示踪气体SF6浓度监测，随着回采工作面陆续推进至第五个测试钻场4的过程中，示踪气体SF6将通过采动形成的裂隙进入下方的采空区，通过瓦斯抽采管路负压作用进入抽采管路，由设置在采空区瓦斯抽采管路上的示踪气体SF6浓度监测仪捕捉SF6气体，不同垂高条件下SF6浓度直接反映出工作面上覆煤岩裂隙发育的高度。
上述步骤1）中，在回风顺槽回采侧施工测试钻场时，应选择顶底板岩性稳定且避开煤层断层及其他构造带。
上述步骤2）中，在施工测试钻孔时，结合煤层倾角确定测试钻孔倾角，保证各测试钻孔注示踪气体SF6段与煤层顶板距离的准确性。
上述煤层倾角对比水平线为正，则测试钻孔倾角度数为钻孔倾角加煤层倾角度数；煤层倾角对比水平线为负，则测试钻孔倾角度数为钻孔倾角减煤层倾角度数。
上述步骤3）中，在测试钻孔距离孔底部10m处设置堵塞，防止注入膨胀水泥时误将注示踪气体SF6段填充。
上述步骤4）中，在水泥封孔24小时后进行注示踪气体SF6，观测压力表稳定1分钟后关闭注气阀门。
上述步骤5）中，在工作面回采过注示踪气体SF6段后，对安设在瓦斯抽采管路上的SF6气体浓度监测仪进行调校。
上述步骤6）中，通过观察示踪气体SF6浓度百分数和测试钻孔注示踪气体SF6段投影位置（m）的关系图，便可直观的确定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度，当采到示踪气体投影处有读数，说明发育到了；如果没有读数，说明没有发育到。
本发明的优点在于：
本发明弥补现有方法测定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的缺陷，在不影响工作面生产和瓦斯抽采的前提下，利用示踪气体SF6的稳定性和易捕捉性，结合开采煤层自身条件，准确判定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度，该方法成本低且操作简易，能够为煤矿瓦斯防治提供科学依据。
附图说明
图1. 本发明回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度测定平面布置示意图。
图2. 本发明回采工作面测试钻场正视剖面示意图。
图3. 本发明回采工作面测试装置及钻场右视剖面示意图。
具体实施方式
实施例1
一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，包括如下步骤：
在煤矿回采工作面1回风顺槽3的回采侧共布置五个测试钻场，钻场尺寸为长4m×宽3m×高2m，靠近采空区2开设第一个测试钻场8，与第一个测试钻场8距离为100m处开设第二个测试钻场7，与第二个测试钻场7距离为100m处开设第三个测试钻场6，与第三个测试钻场6距离为100m处开设第四个测试钻场5，与第四个测试钻场5距离为100m处开设第五个测试钻场4。
在测试钻场内施工测试钻孔，采用普通液压钻机施工钻孔，钻孔方位角与回风顺槽3相同，钻孔直径为113mm，孔深为120m，开采煤层15厚度为3m，倾角为3°，则第一个测试钻场8内的第一测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板14垂高为15m，第二个测试钻场7内的第二测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板14垂高为18m，第三个测试钻场6内的第三测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板14垂高为21m，第四个测试钻场5内的第四测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板14垂高为24m，第五个测试钻场4内的第五测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板14垂高为27m。
第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔分别进行膨胀水泥封孔，第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔从孔口处往孔底方向110m处为水泥封孔填充段，距孔口110m处至孔底为注示踪气体SF6段10，在注入膨胀水泥前在钻孔110m处设置挡板，防止水泥流入注示踪气体SF6段10，第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔的孔底27m至孔口26m处分别预设一根注气管18。
在完成测试钻孔水泥封孔填充段9注入膨胀水泥24小时后，将注气装置连接上注气管18上的注气阀门16，先打开注气阀门16，再缓慢打开注气钢瓶19上的控制阀门20，注气时观测压力表21和流量表22，待压力值和流量值稳定1分钟后记录读数，然后关闭注气阀门16，再关闭控制阀门20。
在采空区瓦斯抽采管路11靠近回风顺槽3入口处设置SF6浓度监测仪13，同时在注示踪气体SF6段10正下方的采空区2设置瓦斯抽采管路孔口筛孔管12。
回采工作面1正常开采过程中，在采掘工程平图上标记注示踪气体SF6段10的投影位置，采空区瓦斯抽采管路11正常负压抽采采空区2瓦斯，开采煤层15的煤炭被运输至地面，上覆煤岩体垮落形成采动煤岩裂隙17，示踪气体SF6通过采动煤岩裂隙17进入开采煤层15的采空区2，通过预设在正下方的采空区瓦斯抽采管路11被抽出，在其管路上设置SF6浓度监测仪13捕捉示踪气体SF6。
在回采工作面1推进至每个不同测试垂高的注示踪气体SF6段10时，捕捉到示踪气体SF6浓度变化，便可直观真实的显示出回采工作面1开采煤层15上覆煤岩裂隙发育的高度。
Claims (3)
1.一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）测试钻场施工：在煤矿回采工作面的回风顺槽回采侧每间距100m施工一个测试钻场，测试钻场规格尺寸为长4m×宽3m×高2m，共施工五个测试钻场；
2）测试钻孔施工：在第一个测试钻场内施工第一测试钻孔（26），钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为5倍开采高度；在第二个测试钻场内施工第二测试钻孔（27），钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为6倍开采高度；在第三个测试钻场内施工第三测试钻孔（28），钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为7倍开采高度；在第四个测试钻场内施工第四测试钻孔（29），钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为8倍开采高度；在第五个测试钻场内施工第五个测试钻孔（30），钻孔深度为120m，钻孔孔底位置距离煤层顶板为9倍开采高度；
3）测试钻孔封孔：在每个测试钻孔内采用膨胀水泥封孔，从测试钻孔孔口至孔底方向110m段为水泥封孔段，在孔底处保留10m空腔未封堵段，从未封堵段至测试钻孔孔口预设一根注气管，注气管上开设有注气阀门；
4）向测试钻孔内的未封堵段注入示踪气体SF6，先打开与注气管连接的注气阀门，再打开注气钢瓶段的控制阀门，并观测压力表和流量表，待压力和流量值稳定后记录读数，先关闭注气阀门后关闭控制阀门；
5）回采工作面采空区瓦斯抽采管路敷设，在工作面回风顺槽敷设采空区瓦斯抽采管路，管路抽采口布置在注示踪气体SF6段投影正下方的采空区内，管路抽采口处加工成筛孔管；在靠近回风顺槽口的瓦斯采空区瓦斯抽采管道上设置示踪气体SF6浓度监测仪；
6）示踪气体SF6浓度监测，随着回采工作面陆续推进至第五个测试钻场（4）的过程中，示踪气体SF6将通过采动形成的裂隙进入下方的采空区，通过瓦斯抽采管路负压作用进入抽采管路，由设置在采空区瓦斯抽采管路上的示踪气体SF6浓度监测仪捕捉SF6气体，不同垂高条件下SF6浓度直接反映出工作面上覆煤岩裂隙发育的高度。
2.根据权利要求1所述的一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，其特征在于：所述步骤1）中，在回风顺槽回采侧施工测试钻场时，应选择顶底板岩性稳定且避开煤层断层及其他构造带；
所述步骤2）中，在施工测试钻孔时，结合煤层倾角确定测试钻孔倾角，保证各测试钻孔注示踪气体SF6段与煤层顶板距离的准确性；
所述步骤3）中，在测试钻孔距离孔底部10m处设置堵塞，防止注入膨胀水泥时误将注示踪气体SF6段填充；
所述步骤4）中，在水泥封孔24小时后进行注示踪气体SF6，观测压力表稳定1分钟后关闭注气阀门；
所述步骤5）中，在工作面回采过注示踪气体SF6段后，对安设在瓦斯抽采管路上的SF6气体浓度监测仪进行调校；
所述步骤6）中，通过观察示踪气体SF6浓度（%）和测试钻孔注示踪气体SF6段投影位置（m）的关系图，便可直观的确定回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度。
3.根据权利要求1所述的一种测定煤矿回采工作面上覆煤岩裂隙发育高度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在煤矿回采工作面（1）回风顺槽（3）的回采侧共布置五个测试钻场，钻场尺寸为长4m×宽3m×高2m，靠近采空区（2）开设第一个测试钻场（8），与第一个测试钻场（8）距离为100m处开设第二个测试钻场（7），与第二个测试钻场（7）距离为100m处开设第三个测试钻场（6），与第三个测试钻场（6）距离为100m处开设第四个测试钻场（5），与第四个测试钻场（5）距离为100m处开设第五个测试钻场（4）；
在测试钻场内施工测试钻孔，采用普通液压钻机施工钻孔，钻孔方位角与回风顺槽（3）相同，钻孔直径为113mm，孔深为120m，开采煤层（15）厚度为3m，倾角为3°，则第一个测试钻场（8）内的第一测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板（14）垂高为15m，第二个测试钻场（7）内的第二测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板（14）垂高为18m，第三个测试钻场（6）内的第三测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板（14）垂高为21m，第四个测试钻场（5）内的第四测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板（14）垂高为24m，第五个测试钻场（4）内的第五测试钻孔的孔底位置距离煤层顶板（14）垂高为27m；
第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔分别进行膨胀水泥封孔，第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔从孔口处往孔底方向110m处为水泥封孔填充段，距孔口110m处至孔底为注示踪气体SF6段（10），在注入膨胀水泥前在钻孔110m处设置挡板，防止水泥流入注示踪气体SF6段（10），第一测试钻孔、第二测试钻孔、第三测试钻孔、第四测试钻孔和第五测试钻孔的孔底27m至孔口26m处分别预设一根注气管（18）；
在完成测试钻孔水泥封孔填充段（9）注入膨胀水泥24小时后，将注气装置连接上注气管（18）上的注气阀门（16），先打开注气阀门（16），再缓慢打开注气钢瓶（19）上的控制阀门（20），注气时观测压力表（21）和流量表（22），待压力值和流量值稳定1分钟后记录读数，然后关闭注气阀门（16），再关闭控制阀门（20）；
在采空区瓦斯抽采管路（11）靠近回风顺槽（3）入口处设置SF6浓度监测仪（13），同时在注示踪气体SF6段（10）正下方的采空区（2）设置瓦斯抽采管路孔口筛孔管（12）；
回采工作面（1）正常开采过程中，在采掘工程平图上标记注示踪气体SF6段（10）的投影位置，采空区瓦斯抽采管路（11）正常负压抽采采空区（2）瓦斯，开采煤层（15）的煤炭被运输至地面，上覆煤岩体垮落形成采动煤岩裂隙（17），示踪气体SF6通过采动煤岩裂隙（17）进入开采煤层（15）的采空区（2），通过预设在正下方的采空区瓦斯抽采管路（11）被抽出，在其管路上设置SF6浓度监测仪（13）捕捉示踪气体SF6；
在回采工作面（1）推进至每个不同测试垂高的注示踪气体SF6段（10）时，捕捉到示踪气体SF6浓度变化，便可直观真实的显示出回采工作面（1）开采煤层（15）上覆煤岩裂隙发育的高度。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 底板贯穿型裂隙现场实测及其对瓦斯抽采的影响;齐庆新等;《煤炭学报》;20140831;第39卷(第8期);第1552-1558页 |
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