“U并U”型通風系統與高位定向鉆孔治理采空區瓦斯

王俊紅，朱鵬飛，張俊杰，張軍龍

（1.山西晉城無煙煤礦業集團 成莊礦，山西 晉城 048021;2.中國地震局地震 預測研究所，北京 100036）

“U并U”型通風系統與高位定向鉆孔治理采空區瓦斯

王俊紅1，朱鵬飛1，張俊杰1，張軍龍2

（1.山西晉城無煙煤礦業集團 成莊礦，山西 晉城 048021;2.中國地震局地震 預測研究所，北京 100036）

成莊礦地質構造復雜，又為高瓦斯礦井，采空區瓦斯濃度居高不下，影響著礦井安全生產，采空區瓦斯是礦井瓦斯治理的難點之一。通過采用“U并U”型通風系統，采空區內瓦斯流向采空區深部，同時利用回風巷高位定向鉆孔，對采空區瓦斯進行抽采。這兩種方法相結合，一方面保障工作面采空區和巷道內瓦斯不超限，利于礦井的生產銜接，防止瓦斯事故的發生，另一方面實現了礦井瓦斯綜合利用。

采空區；高位鉆孔；瓦斯抽采；抽采量

采空區瓦斯是回采工作面瓦斯涌出的主要來源之一，特別是在高瓦斯礦井，采空區瓦斯成為礦井瓦斯治理突出的難點之一，嚴重影響礦井生產和安全。成莊礦自1997年投產以來，隨著采煤工作面逐步向深部延伸和年煤炭生產總量不斷增大，礦井瓦斯涌出量呈現近指數上升的特點，瓦斯治理的難度不斷加大。產生這一現象有許多原因，其中采空區瓦斯涌出量是礦井瓦斯的主要來源。成莊礦通過探索回采工作面瓦斯治理措施，改進試驗不同通風系統，總結出適合成莊礦的“U并U”型通風方式，將負壓點移至采空區深部，改變采空區瓦斯流向。并利用千米鉆機在回采前施工高位定向鉆孔，在回采過程中對采空區瓦斯進行抽采。不僅采空區瓦斯得到有效治理，而且增加了礦井瓦斯利用率。

1 概況

成莊煤礦隸屬于山西晉城無煙煤礦業集團，位于沁水煤田東翼南端。采用斜井分區開拓，采煤方法以放頂煤和大采高一次采全高采煤工藝為主，主采煤層為3號煤層，目前核定生產能力為8.3 Mt/a。最近得到的礦井瓦斯等級鑒定數據顯示，絕對瓦斯涌出量為384.59 m3/min，相對瓦斯涌出量為24.85 m3/t，屬于高瓦斯礦井，對煤礦生產和安全影響較大。為了杜絕綜采放頂煤瓦斯超限隱患，礦井通過采用“U并U”型和“三進兩回”為主的通風系統、高位鉆孔抽采瓦斯等措施，取得了一定的效果。

2 “U并U”型通風方式

“U并U”型通風系統示意圖如圖1所示。“U 并U”型通風方式為兩進兩回通風系統，涉及兩個工作面的通風系統，包括正在生產的回采工作面和相鄰的計劃回采的工作面，兩個工作面的通風系統都采用“U”型布置，正在生產的回采工作面的兩條巷道為進風巷，準備回采工作面的兩條巷道為回風巷。其中，正在生產的回采工作面的皮帶運輸巷為主要進風巷，位于鄰近上個工作面的采空區位置。準備回采工作面的回風2巷為主要回風巷，軌道運輸巷和回風1巷分別為輔助進風巷和輔助回風巷。

“U并U”型通風方式治理采空區瓦斯的優勢有：a.“U并U”型通風負壓點作用于采空區深部，通過調節壓力，使采空區瓦斯流向采空區后方，為高位鉆孔抽采提供了可能，同時緩解綜采工作面風排瓦斯壓力；b.取消了尾巷的設置，解決了尾巷瓦斯管理難度大的問題；c.輔助進風巷布置于回風巷的工作面側，克服了傳統通風方式采空區瓦斯始終處于流動狀態的問題，通過密閉墻帶出部分高濃度瓦斯，消除了其它通風方式的缺點。

圖1 “U并U”型通風系統示意圖

3 采空區高位鉆孔抽采

采空區高位鉆孔抽采又稱為頂板裂隙帶抽采，主要作用是以工作面回采時采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽采采空區涌出的瓦斯[1]。

隨著工作面回采，在工作面周圍形成一個采動壓力場。采動壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，示意圖如圖2所示。水平方向上形成三個區，即煤壁支撐影響區A、離層區B和重新壓實區C，示意圖如圖3所示。在這個采動壓力場中形成的裂隙空間，便成為瓦斯流動通道。

圖2 頂板裂隙帶示意圖

圖3 上覆巖層分區示意圖

3.1 采空區瓦斯治理

3.1.1 回采時采空區高位鉆孔抽采

高位定向鉆孔的參數主要有孔徑和有效的鉆孔高度等。在工作面回采前，鉆孔已經施工完畢，在工作面正常推進時，無法進行新的鉆孔施工，當工作面推過鉆孔一段時間后，煤層頂板受重力影響垮落，按采動壓力場及其影響范圍分析，冒落帶一定程度上會造成鉆孔切斷或堵塞，影響鉆孔抽采效果，所以高位鉆孔抽采的關鍵是要維護鉆孔通道有效運行。采空區高位鉆孔分煤柱段和采空區段，煤柱段為實體煤，受采動影響小，鉆孔通道易維護，而采空區段頂板垮落，鉆孔通道易被切斷，這就要求高位鉆孔出煤柱后應至少抬高至裂隙帶，見圖2。下面以4318工作面為例進行說明。

4318工作面按照設計共施工了8個采空區高位定向鉆孔（Z1-Z8），鉆孔原始孔徑為96 mm，對部分鉆孔進行擴孔，使孔徑達到145 mm。鉆孔施工示意圖如圖4所示。

圖4 4318工作面采空區高位鉆孔施工示意圖

依據采空區頂板巖層移動“三帶”理論分析，有效的鉆孔高度（H）應位于裂隙帶高度（Hf）范圍內[2-3]。

式中：ΣM為累計開采厚度，m；He為冒落帶高度，m；Hf為裂隙帶高度，m。

因此，應滿足He＜H＜Hf。對于綜采工作面,所采煤層平均厚度為6 m，即M=6 m，4318工作面冒落帶高度He=21±2.5 m，裂隙帶高度Hf=65.2±8.9 m，有效鉆孔高度應位于冒落帶頂端和裂隙帶中下部之間的位置，因此4318工作面有效鉆孔高度應距3號煤層頂板23.5 m～74.1 m。

隨著4318工作面逐步回采，追蹤收集每個鉆孔（Z1-Z8）瓦斯濃度、瓦斯流量、瓦斯純量（以下簡稱濃度、流量、純量）的變化情況，并對回采進度、回采日產量等相關數據進行統計和分析。由于Z1孔靠近切眼，有效高度達到裂隙帶中部，且觀測時間最長，數據較全，具有代表性，所以選取它的抽采量變化曲線，說明高位鉆孔的抽采效果。

Z1鉆孔瓦斯濃度、純量隨抽采時間變化曲線如圖5所示。工作面在推進過Z1鉆孔尾部32 m后（抽采1 d）頂板垮塌形成裂隙，開始有流量，濃度達到60%左右。隨著工作面逐步推進，流量增加到8 m3/min，且濃度保持在50%左右，其中可抽瓦斯的純量為4 m3/min，且能保持200 m的推進度（約至抽采32 d），這是平行工作面走向頂板孔的最大優勢，鉆孔服務時間長。后期頂板垮落穩定，鉆孔流量降至4 m3/min左右，濃度降至40%左右，相應的純量降至1.5 m3/min左右（約至抽采47 d），此后可歸入普通低位鉆孔一類進行管理，盡可能用于抽采采空區瓦斯。

受抽采系統能力的影響，為保證抽采負壓，適時控制或關閉位于離層區B和重新壓實區C內的鉆孔，逐步開啟煤壁支撐影響區A內的鉆孔，通常能保證同時開啟5個鉆孔，這些工作鉆孔的總抽采量最高達到7.6 m3/min，總抽采量平均保持在3 m3/min左右。

采空區瓦斯的治理達到如下效果：a.采空區高位鉆孔投運后工作面絕對瓦斯涌出量逐步下降，當采空區高位鉆孔抽采量提升時（約至30 d），工作面絕對瓦斯涌出量對應降低，由最初的30 m3/min左右降低至18 m3/min左右，下降幅度達40%，如圖6所示，起到了治理采空區瓦斯的目的；b.采空區高位鉆孔投運后，4318回采工作面沿空留巷密閉墻內瓦斯濃度由原來2%左右下降到1%以下，使工作面瓦斯處于安全線內，有效提高了作業環境的安全系數。

圖5 4318工作面Z1鉆孔瓦斯濃度、純量隨抽采時間變化曲線

圖6 4318工作面噸煤瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量關系

3.1.2 老采空區高位鉆孔抽采

本文所指老采空區是指工作面完成回采1年以上的采空區，老采空區內的瓦斯聚集形成安全隱患。老采空區的瓦斯聚集及高位鉆孔設計等情況與前述不同，一方面，老采空區頂板已經垮落，瓦斯聚集基本成形，是高位鉆孔抽采的有利條件；另一方面，老采空區高位鉆孔不具備在回風巷施工的條件，以至于平面上鉆孔的尾部無法深入回采工作面，只能在停采線附近，這限制了高位鉆孔的抽采效果。

為治理老采空區內的瓦斯，利用定向鉆機自措施巷等處向老采空區頂板裂隙帶瓦斯富集區施工高位鉆孔，由于是在頂板垮落后施工，頂板上方的裂隙已形成，鉆機施工過程中鉆孔出現返水小或不返水時，可判斷鉆孔尾部已施工至裂隙帶內，應立即退鉆聯抽。4308老采空區高位鉆孔L1和L2在施工到過停產線40 m處時出現返水小，相對應的鉆孔層位為煤層頂板上方60 m，隨后進行退鉆聯抽。4308工作面老采空區高位鉆孔施工示意圖如圖7所示。

圖7 4308工作面老采空區高位鉆孔施工示意圖

當L2孔開始聯抽時，濃度和流量分別達到84%和9.8 m3/min，相應的可抽采瓦斯純量達8 m3/min，隨后濃度逐步下降至30%且趨于穩定，而流量變化不大，始終保持在8 m3/min左右，可抽出瓦斯純量約2.5 m3/min，并能一直保持這樣的抽采量，如圖8所示。說明老采空區在未抽采前積聚瓦斯，剛開始聯抽時濃度相對較高，抽采一段時間后，老采空區留煤解析速度一定，高位定向鉆孔抽采的瓦斯濃度和純量也趨于平衡。

通過老采空區高位鉆孔的施工，老采空區內的瓦斯得到了治理，密閉墻前的瓦斯濃度降低到安全范圍內，消除了密閉墻前瓦斯大的安全隱患。

3.2 采空區瓦斯利用

以前，成莊礦采空區瓦斯主要靠采空區埋管抽采或封閉在老采空區，采空區瓦斯得不到利用，即使抽出了瓦斯，也因為濃度低無法利用。現在，利用“U并U”型通風方式和采空區布設高位定向鉆孔，抽采的采空區瓦斯為高濃度瓦斯（一般在30%以上），其濃度滿足瓦斯利用的底部界線，因此可帶入瓦斯利用系統。

成莊煤礦地面瓦斯抽采泵站的配套系統有2 座1×104m3和3×104m3儲氣柜，兩臺1噸蒸汽鍋爐，兩臺加壓泵等設施，共敷設抽采管路約4500 m。地面瓦斯泵站主要供給煤層氣發電站、洗煤廠尾煤處理車間、8 t鍋爐房、4 t鍋爐房、宏圣公司、食堂、家屬樓和成莊村等地使用。成莊煤礦正常生產期間同時回采3個工作面，每個工作面投運5個高位定向鉆孔，加上老采空區高位定向鉆孔，在抽鉆孔總數可達到18～20個，以單孔1 m3/min的抽采量計算，每年可增加抽采量約1 000萬m3，按每立方米煤層氣利潤0.4元標準計算，每年可增加利潤400多萬元。

4 結論

1）成莊礦采用“U并U”型通風方式和高位定向鉆孔抽采采空區瓦斯相結合的施工技術。這種方法的使用，改變了采空區瓦斯流向，減少了采空區瓦斯涌入巷道，降低了工作面絕對瓦斯涌出量。

2）在成莊礦高瓦斯礦井，通過高位定向鉆孔抽采（老）采空區瓦斯，有效緩解了工作面回采過程中風排瓦斯量大的突出矛盾，降低了工作面巷道瓦斯濃度，為安全生產提供了保障。

3）通過成莊礦采空區高位鉆孔抽采的高濃度瓦斯的利用，一定程度上避免了排空污染環境，同時也增加了利潤。

[1]王永軍，劉文蘭.高位瓦斯抽放鉆孔在降低綜采工作面瓦斯濃度中的應用[J].中國煤炭地質，2008，20(9)，74-76．

[2]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001．

[3]高洋，趙志強，丁自偉，等.高位鉆孔瓦斯抽放技術在開灤礦區的應用[J].中國煤炭，2011，37(2)，84-85．

（編輯：楊 鵬）

Goaf Gas Control with U-U Type Ventilation and Directional Drilling at the High Level

WANG Junhong1,ZHU Pengfei1,ZHANG Junjie1,ZHANG Junlong2
(1.Chengzhuang Mine,Jincheng Anthracite Group,Jincheng 048021,China;
1.Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration,Beijing 100036,China)

As a high gassy mine,Chengzhuang Mine's geologic structure is complex.Its gas concentration,staying at a high level,affects the safe production.Goaf gas is one of difficulties of gas control in mines.With U-U type ventilation,the gas flew to the deep part of the goaf.Meanwhile, directional drilling at the high level was used to drain the goaf gas.The combination of the two methods could not only ensure that the gas in goaf and roadways did not exceed the limit to keep the cohesion of production and prevent gas disaster,but alsorealize the comprehensive utilization ofthe gas.

goaf;drillingat the high level;gas drainage;quantityofdrainage

TD724

A

1672-5050（2016）04-046-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.013

2015-12-18

山西省煤層氣聯合研究基金（2012012003，2015012015）

王俊紅（1981-），男，山西晉城人，本科，工程師，從事煤礦安全、通風、技術工作。