主焦煤礦頂板高位鉆孔抽放瓦斯技術實踐

王啟明，許衛東

(1．河南煤業化工集團安陽鑫龍公司， 河南安陽市 455133;2．安陽市主焦煤業公司， 河南安陽市 455141)

主焦煤礦頂板高位鉆孔抽放瓦斯技術實踐

王啟明1，許衛東2

(1．河南煤業化工集團安陽鑫龍公司， 河南安陽市 455133;2．安陽市主焦煤業公司， 河南安陽市 455141)

介紹主焦煤礦21141回采工作面采用頂板高位鉆孔進行瓦斯抽放的方法，闡述抽放原理及抽放工藝。實施該技術后，有效抑制了瓦斯向上隅角和回風巷的大量涌出，達到最佳抽放效果，取得了顯著的經濟、社會效益。

瓦斯抽放;高位鉆孔;抽放效果

1 概述

主焦煤礦位于河南省安陽礦區北部，東距安陽市38 km，南距安陽縣水冶鎮15 km，為安陽鑫龍煤業公司的下屬礦井，隸屬河南煤業化工集團。主焦煤礦生產能力為40萬t/a礦井。礦井采用中央分列式通風系統，主、副井進風，專用風井回風。選用2臺FBCDZ№26/2×220型軸流風機，礦井總風量4740 m3/min。2009年瓦斯涌出等級鑒定結果為高瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為21．23 m3/t;絕對瓦斯涌出量為19．97 m3/min。煤層煤塵具有爆炸性。

21141工作面位于21采區北翼下部，走向長度為995 m，傾斜長度里部分為120 m，外部分為145 m，面積為11．67萬m2，可采儲量約為76萬t。開采二疊系山西統下部的二1煤層，傾角15°～25°，煤層平均厚度為6．0 m。采用走向長壁采煤法，炮采放頂煤，一次采全高，全部陷落法管理頂板。瓦斯含量6．74 m3/t，瓦斯壓力 0．39 MPa。

2 高位鉆孔抽放原因

21141工作面回采初期采用本煤層順層平行鉆孔和扇形鉆孔預抽瓦斯。預計瓦斯涌出量可達10．8 m3/min，而回采初期實際瓦斯涌出量高達 13．5 m3/min，其中風排量平均為9．8 m3/min，本煤層抽放量平均為3．7 m3/min。該工作面回采初期風量為1030 m3/min，由于地質結構影響和該煤層抽放不一致性及開采情況不均衡，瓦斯涌出不均勻，回風流中瓦斯濃度在0．7% ～1．1%。雖然相繼采取調節風量等措施，一度將工作面風量加大到1930 m3/min，使工作面回風巷瓦斯濃度降到0．6%左右，但是回風巷風速正常為3．8 m/s，接近風速臨界值，所以靠風排和本煤層預抽瓦斯未能解決瓦斯問題。經測算，21141采空區瓦斯涌出量占整個回采工作面瓦斯涌出量的43%，是造成上隅角和回風流中瓦斯超限的重要原因。經過考察，主焦煤礦決定對21141工作面采取分源抽放，采用頂板高位鉆孔抽放補充措施進行試驗。

3 抽放原理及抽放工藝

3．1 高位鉆孔抽放原理

高位鉆孔瓦斯抽放又稱頂板裂隙帶抽放，是經濟可行的瓦斯抽放新技術，主要作用是以工作面采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽放瓦斯［1，2］。回采工作面推進過程中，采動對上覆巖層造成的移動裂隙在采場垂直方向形成了“豎三帶”，即冒落帶、裂隙帶和緩沉帶;在水平方向形成了“橫三區”，即煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。隨著工作面推進，“三帶”和“三區”也不斷向前移動，這一動態空間，特別是裂隙帶和離層區是瓦斯流動的主要通道。由于采動裂隙的存在，為采空區瓦斯流動和儲集提供了通道和空間［3］。

在裂隙帶內布置抽放孔，煤層解吸出的游離瓦斯在較高瓦斯壓力作用下沿著垂直裂隙連續匯集到抽放孔內。通過鉆孔內的抽放負壓，加速了瓦斯的流動，使得高位鉆孔能夠抽出瓦斯，以提高21141工作面瓦斯抽采量。

3．2 裂隙帶可抽高度確定

裂隙帶高度是影響高位鉆孔抽放效果的重要因素。裂隙帶高度可根據工作面礦壓顯現規律進行計算，得出裂隙帶的理論高度［4］，再通過現場多種孔深的抽放試驗，把某個范圍內能抽到高濃度瓦斯的高度稱為可抽高度。

3．2．1 垮落巖層范圍(直接頂厚度Mz)的分析

垮落巖層范圍推斷計算也就是直接頂厚度確定［5］。煤層頂板巖層狀況見表1。

表1 煤層頂板巖層狀況

垮落直接頂厚度(Mz)按下式確定:

其中

時，則巖層塌落

時，巖層進入老頂范圍。式中h為煤層厚度，m;Mi為巖層厚度，m;KA為頂板巖層碎脹系數，取1．3。

對照工作面頂板巖層柱狀圖，由上述判別式依次進行判斷:

M1完全垮落后，M2、M3將一次垮落，由于他們巖層較厚，裂隙發育較大，將分層分次冒落，下部冒落成為不規則的矸石，而上部冒落成為排列整齊的大塊狀巖塊。按照巖石常規分層規律，中粒砂巖、砂質泥巖垮落的分層厚度大多為0．3～3 m，取0．8 m作為細砂巖的分層條件。按照式(2)和(3)計算，判定M4也將分層垮落。

由于M5砂質泥巖硬度較大，裂隙發育小，M5不再陷落。

3．2．2 傳遞巖梁發展范圍(裂斷拱高)的推斷

根據宋振騏院士的實用礦山壓力理論，在采場推進過程中，采場上覆巖層中會形成1個“破壞拱”。該“破壞拱”的拱跡線為裂隙帶中各“傳遞巖梁”的端部斷裂線和裂隙帶與緩沉帶的分界線。冒落帶和裂隙帶中已發生明顯運動的巖層位于“破壞拱”內，而冒落帶和裂隙帶中尚未發生明顯運動的部分巖層及緩沉帶巖層位于“破壞拱”外［5］。

“破壞拱”拱高(Hg)由下式計算［3］:

式中:mz——垮落帶高度;

mLX——裂隙高度;

L——工作面長度，m，L=130 m。

3．2．3 裂隙帶可抽高度區間(終孔時鉆孔高度)

裂隙帶可抽高度區間(距煤層頂板法距)應為23．47～65 m，高位鉆孔處在此區間的孔段為有效抽放孔段，確定終孔鉆位置時，距煤層頂板法線距離在此區間最佳。

3．3 高位鉆孔技術參數

(1)終孔點與回風巷平距。由于風巷標高高，采空區高濃度瓦斯易積聚回風巷的硬幫，因此，鉆孔與風巷水平距離越近，理論效果越好，經實測終孔點與回風巷平距10～25 m效果最佳。鉆孔場間的鉆孔壓茬長度與鉆場抬高位置、鉆孔傾角和偏角及鉆機可施工長度有關，但最好保證2個鉆場的鉆孔的水平投影有效重疊段不小于5 m。

(2)開孔位置與終孔高度。終孔高度與開孔高度差值越小，即鉆孔傾角越小，鉆孔處于有效抽放范圍內的距離越長，鉆孔利用率越高。21141工作面開孔位置選擇在回風巷的高位鉆場。在裂隙帶內布置高位抽放孔(鉆孔終孔)，使得高位鉆孔能夠抽出瓦斯。終孔位置高度在煤層頂板以上23．47～65 m之間。

(3)鉆孔并網與報廢時間。在工作面推進至與鉆底平距5～10 m時(孔內瓦斯涌出)即可并網抽放。當工作面推進至鉆孔最低有效抽放高度時(距孔口5 m左右)，鉆孔必須停抽報廢，準備對下一個高位鉆場進行抽放。隨著工作面的向外推進，各鉆場依次按上述程序啟用和報廢，直至工作面結束。鉆場報廢后使用卡弗尼進行充填，保證采至鉆場時不出現瓦斯超限。

3．4 抽放工藝

(1)頂板高位鉆場布置。在21141工作面上巷布置高位鉆場10個，從里向外依次為1～10號鉆場，第一個高位鉆場距工作面100 m，其它高位鉆場間距均為100 m。鉆場選擇直巷式布置，鉆場規格(寬×深×高)3 m×11 m×2 m，從上巷下幫開口，方向垂直于上巷，仰角58°左右掘進。終端距煤層頂板法線距離不小于4 m。高位鉆場剖面見圖1。

圖1 21141上巷高位鉆場示意

(2)高位鉆孔布置。每個鉆場內設計10個鉆孔，全部為巖孔，鉆孔全部設計在裂隙帶，鉆孔長度110 m左右，鉆孔直徑為94 mm，設計鉆孔總長度為11000 m。21141高位鉆孔采用濕式排屑，鉆機型號為ZY－2300型。鉆孔布置見圖2和圖3，高位鉆孔抽放進氣管選取內徑為203 mm的HDPE抗靜電聚乙烯管。選用YD－Ⅳ型井下移動抽放泵，移動抽放泵輸出端并入地面瓦斯抽放系統。

圖2 21141上巷高位鉆場鉆孔布置

圖3 21141上巷高位鉆孔示意

(3)1號鉆場實鉆情況。1號實鉆情況見表2。

表2 1號鉆場高位鉆孔施工參數

4 高抽孔效果考察分析

在21141采面進行煤層頂板裂隙帶高位鉆孔抽放瓦斯過程中，重點研究了抽放瓦斯的可行性、抽放鉆孔合理的空間位置、抽放濃度、抽放瓦斯量及抽放瓦斯的效果等。采用孔板流量計測定抽放瓦斯量，使用U型壓差計測定抽放管道內外和孔板流量計兩端的壓差。根據公式V=K×計算瓦斯流量(瓦斯混合量)，其中:V為瓦斯流量，m3/min;Δh為U型管水柱壓差，mm;K為孔板系數。用0～100%光學瓦斯鑒定器測量瓦斯濃度，采用FW－1型高負壓瓦斯采樣器進行取樣后再測定。

(1)1號高位鉆場的鉆孔實測瓦斯參數。從表3可以看出，1號鉆場的高位鉆孔取得了很好的抽放效果，鉆場總抽放量達到了439049 m3，單孔最大抽放量為60008 m3，平均為43905 m3，全部鉆孔達到優質標準。

(2)工作面采用頂板高位鉆場抽放后，單孔平均濃度為30%以上，井下移動抽放泵輸入端瓦斯濃度一般可達23%左右，抽放純量一般在3．6 m3/min以上。

統計分析表明，采取高位鉆孔抽放瓦斯后，回風巷瓦斯濃度降低了0．4% ～0．7%，上隅角瓦斯也能降到0．9%以下，回風巷瓦斯涌出量減少了3．6 m3/min，回風巷瓦斯涌出量減少了26%。

高位鉆孔抽放實施后，從2009年8月14日到2010年6月30日共抽出瓦斯純量191萬m3，平均為4．1 m3/min。高抽孔在距煤層頂板23．8～31 m范圍內抽放效果較好，抽放濃度可保持15% ～52%，最高濃度達92．9%。

表3 1號高位鉆場鉆孔實測瓦斯參數

5 結論

頂板高位鉆孔具有單孔抽放量大，抽放周期長的優點，是解決工作面瓦斯問題的輔助方法，能夠彌補本煤層鉆孔抽放量不足;其缺點是:當鉆場間距、鉆孔施工技術參數不合理時，其抽放效率就不能完全發揮;高位鉆孔處于動壓區內，施工受頂板巖性、構造影響大，一旦出現孔內事故，處理難度較大。施工費用相對較高。

21141工作面采用高位抽放技術后，回風巷瓦斯濃度保持在 0．4%左右，上隅角瓦斯濃度在0．4% ～0．9%之間，不超過1%，有效抑制了瓦斯向上隅角和回風巷的大量涌出。經過一段時間抽放后，采空區的瓦斯被大量地抽放，采面正常生產期間配風量由1932 m3/min左右減少到了1060 m3/min，減少配風量872 m3/min以上，礦井扇風機風壓由原來的2010 Pa左右降為1660 Pa左右，礦井等積孔由原來的1．6 m2升為1．96 m2。截止2010年6月30日，頂板高位鉆孔抽放總量達到191萬m3，瓦斯發電量138．8萬度，發電效益為83．28萬元。高位抽放不僅改善了工作面作業環境，解決了工作面配風困難、風速超限問題，緩解了礦井通風壓力，而且取得顯著的經濟、社會效益。

［1］ 劉澤功，哀 亮，戴廣龍，等．開采煤層頂板環形裂隙圈內走向長鉆孔法抽放瓦斯研究［J］．中國工程科學，2004，6(5):32－38．

［2］ 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2003．

［3］ 林海飛．采動裂隙橢拋帶中瓦斯運移規律及其應用分析［D］．西安:西安科技大學，2004．

［4］ 劉 濤，李玉明，劉起余，等．1129回采工作面高位孔瓦斯抽放技術應用［J］．華北科技學院學報，2008，(8):21 －23．

［5］ 宋振騏．實用礦山壓力與控制［M］．徐州:中國礦業大學出版社，1988．

2010－12－08)

王啟明(1971－)，男，河南新鄉人，工程師，碩士，從事煤礦通風安全管理工作，Email:ayxlwqm@163．com。