地面L型鉆孔在大采高綜放工作面瓦斯治理工作中的探索*

李　杰，孫珍平

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室,遼寧 撫順 113122)

0　引言

瓦斯事故是我國煤炭事故中造成人員傷亡，經濟損失最嚴重的事故，特別對于大采高綜放工作面更是如此，瓦斯抽采是解決我國煤礦瓦斯問題的根本措施。目前，國內許多學者對此都進行了研究，王春光等提出了頂板專用排瓦斯巷巷道密閉抽放采空區瓦斯，上下隅角粉煤灰墻封堵，減少采空區漏風量，局部地點掛風簾處理局部瓦斯積聚和超限綜合治理措施，能夠較好的解決瓦斯問題[1]。劉峰提出大采高綜放開采工藝可以有效提高潞安礦區在高瓦斯厚煤層條件下綜合機械化開采工作面的整體裝備水平和單產水平,并且使潞安礦區在該煤層且地質條件相對較復雜條件下的高產高效開采整體技術水平跨入了國內先進行列[2]。華海洋等采用底板穿層鉆孔與工作面順層鉆孔卸壓抽放、高位走向鉆孔抽放、上隅角站管抽放、優化抽放、通風系統等瓦斯治理技術;根據瓦斯來源不同,抽放濃度、流量差異較大,采取高濃低流、低濃高流分源抽放,取得了很好的治理效果,真正的實現了綜采面的高產高效[3]。以上學者均在瓦斯治理方面提出了自己的見解，并且得到了一定成果，為礦井生產提供了安全保障。但是國內對地面“L”型鉆孔的研究甚少，故本文研究了地面L型鉆孔在大采高綜放工作面瓦斯治理措施。

1　概況

同煤塔山礦設計生產能力為15 Mt/a，采用綜采放頂煤開采石炭二疊系3-5號煤層，平均煤層厚度為16 m，煤層賦存穩定，屬自燃煤層，3-5號煤層頂板為炭質泥巖、高嶺質泥巖、粉砂巖，底板為含礫高嶺巖、礫屑石英、高嶺巖，3-5號煤層二盤區瓦斯含量為0.91～1.89 m3/t，工作面進風量為2 500～2 700 m3/min，巷道寬5.6 m，高4.2 m，截面積23.52 m2，風速約為1.9 m/s,回風巷風量約為1 500～1 800 m3/min，巷道寬5.2 m，高4 m，截面積20.8 m2，風速約為1.4 m/s。為了實現14～20 m特厚煤層的高效開采，我國近幾年成功開發了大采高綜放開采成套技術，并在該礦成功應用，實現了特厚煤層大采高綜放開采工作面年產1 000萬t的目標[4]。雖然煤層瓦斯含量較小，但是由于開采強度大，機械化程度高，工作面絕對涌出量達到40 m3/min，礦井回采過程中工作面瓦斯涌出不均衡(放煤期間瓦斯急速升高)，上隅角瓦斯頻繁超限，不僅嚴重影響工作面生產和綜機效能的發揮，還有可能釀成瓦斯爆炸等安全事故，對國家和人民生命財產構成巨大威脅。礦井曾試驗采前預抽、邊采邊抽、采空區埋管、預埋立管等抽采方法，但均未能解決工作面瓦斯問題，因此，選擇合適的治理方法，解決該礦特厚煤層瓦斯低賦存、高涌出、涌出不均衡的問題尤為重要。

2　瓦斯來源及治理措施分析

對工作面上隅角瓦斯治理首先應該搞清楚工作面瓦斯來源及流動規律。工作面瓦斯涌出特征與煤層的賦存、開采條件密切相關，綜采放頂煤工作面瓦斯涌出主要來源包括割煤、放頂煤、采空區涌出，割煤速度越快、放煤量越大，瓦斯涌出量就越大。根據煤層瓦斯賦存與流動理論、回采工作面礦山壓力規律及采場覆巖移動規律、采空區“O”型圈等理論可知：割煤涌出大部分瓦斯會被工作面風流稀釋排入回風巷；由于受到層位限制工作面風流很難稀釋卸壓頂煤涌出的大量瓦斯，這部分瓦斯積聚在支架頂部(如圖1所示)，在頂煤垮落時隨之進入工作面，在風流帶動下進入回風巷或最終集聚到上隅角，造成工作面回風流濃度突然升高、上隅角瓦斯超限[5-7]；而采空區涌出瓦斯在工作面漏風風流及浮力作用下首先涌向工作面上隅角及上部冒落帶。目前大采高工作面瓦斯治理理念為多巷道、大風量、強抽采，主要措施包括調解通風方式、煤層預抽、采空區埋管、頂板高抽巷、底板抽采巷、地面鉆孔預抽、高位鉆孔等，然而上述措施中：Y型通風易引起采空區自燃，高抽巷抽采具有滯后性，高位鉆孔抽采量小，煤層瓦斯含量較低預抽效果不佳施工成本高的缺陷，經過論證及礦井實踐，上述措施并不適合該礦回采工作面瓦斯治理工作[8-15]。結合該礦煤層賦存特厚、瓦斯含量低、易自燃的實際情況，總結現場實踐中的經驗教訓，探索出在3-5號煤層頂部2號煤層布置一條低位采空區專用抽采巷抽采工作面瓦斯的方法(如圖2所示)，配備DN900抽采管路和2BEC120水環真空泵，大直徑、大流量密閉抽采工作面冒落帶瓦斯的抽采方法。該方法克服了傳統方法的弊端，成功解決了該礦特厚煤層放頂煤開采工作面瓦斯問題，在該礦鄰近礦區得到廣泛推廣應用。

圖1　放頂煤工作面瓦斯涌出分布Fig.1　The gas distribution in the LTCC

圖2　低位采空區抽采巷位置示意Fig.2　The low order drainage tunnel of goaf

雖然低位采空區抽采巷對該礦工作面瓦斯問題治理效果顯著，但由于抽采巷內瓦斯濃度偏低，抽采混合流量一般需要保持在800 m3/min左右，造成抽采巷抽采負擔過大的現實問題；另外，抽采巷內瓦斯濃度有時處于爆炸極限4%～16%之間，存在安全隱患，因此，除了對抽采巷內氣體進行實時監測外，還需采用輔助抽采措施降低抽采巷濃度，以及在巷道內鋪設5～10 cm石沫，每隔100 m安裝一道銅制水幕等防止產生火花的安全措施，無形中增加了工作面通風及安全管理難度；然而通過前文分析目前傳統抽采方法無法解決該礦工作面瓦斯問題，因此，如何減小抽采巷抽采負擔，消除安全隱患成為了礦井需要解決的另一道難題。得益于鉆進設備的發展，采用地面鉆孔超前預抽煤層瓦斯、密閉抽采礦井采空區瓦斯等技術方法在我國煤炭行業得到長足發展，地面L型長鉆孔近年來作為一種新的工藝逐漸被煤礦企業應用到注漿加固、防滅火等領域，L型長鉆孔主要利用成熟的定向鉆進技術，先施工一段垂直鉆孔，施工至目標區域附近后施工一段近水平鉆孔，保證近水平鉆孔或終孔位置處于目標區域內，然后直接進行工藝操作，具有流量大、管路短、施工制約因素少、 便于管理等優點[16-22]。鑒于上述優點，該礦對采用地面L型鉆孔抽采工作面裂隙帶瓦斯緩解低位采空區抽采巷負擔，消除安全隱患進行了探索。

3　實踐探索

本次地面L型鉆孔治理效果探索以8214工作面為實踐對象，從8216工作面地面開孔，垂直施工60 m后，傾斜施工至8214工作面，最后施工近水平鉆孔將其控制在頂板裂縫帶內，裂縫帶高度暫按采煤高度3～5倍計算，距煤層頂板高度約為42.55～85.72 m，鉆孔總長866.5 m，近水平鉆孔長為206 m，鉆孔具體參數如圖3所示[21]。L型鉆孔配套設備為區域泵站內2臺額定流量為130 m3/min 的2BEY42型水環泵(1用1備)，和1趟DN300 mm抽采管路。礦井建有地面注漿、注氮系統、束管監測系統，工作面回采時，除日常對采空區CO，CH4等氣體進行監測外，還采取采空區注氮(2趟系統每趟注氮量2 000 m3/h，注氮量根據監測數據靈活調整)，工作面噴灑阻化劑等綜合防滅火措施，采空區注氮量大于鉆孔瓦斯抽出量，不僅能夠填補采空區瓦斯被抽采后空間，還能降低O2濃度，防止采空區遺煤自燃。

4　結果分析

8214工作面L型鉆孔施工完成后，當回采工作面推進至距近水平鉆孔終孔位置10 m左右范圍時，啟動L型鉆孔抽采系統，整個抽采過程經歷了初始階段、穩定階段、收尾階段。為方便討論，排除設備故障、鉆孔阻塞、回采結束等因素影響，以穩定階段上隅角濃度及不采取輔助抽采措施情況下低位采空區抽采巷濃度為考察參數與未采用該措施前進行對比分析。

從圖4可以看出，布置在8124工作面煤層頂板冒落帶內的低位采空區抽采巷，能夠針對其開采特厚煤層，放煤瞬間瓦斯涌出量大，涌出速度快的特點，通過人為在冒落帶制造一條瓦斯流動渠道，直接抽采冒落帶瓦斯，引流放煤涌出瓦斯，大量減少流向工作面瓦斯，使得工作面上隅角瓦斯平均濃度控制在0.52%左右，保證了工作面安全連續生產；但是由于其抽采層位較低，工作面漏風嚴重，抽采巷內抽采瓦斯平均濃度約為4.43%，存在一定的安全隱患。

圖5　地面L型鉆孔使用后上隅角、抽采巷瓦斯濃度Fig.5　The gas concentration of upper corner and drainage tunnel after using ground L drill

從圖5可以看出，使用地面L型鉆孔抽采后，工作面上隅角、抽采巷內瓦斯平均濃度分別為0.44%，3.37%，抽采鉆孔內平均瓦斯濃度為19.19%；通過對比圖5與圖6可知，地面L型鉆孔抽采后工作面上隅角平均瓦斯濃度降低了0.08%，低位采空區抽采巷內瓦斯平均濃度降低了1.06%，說明采用地面L型鉆孔抽采法能夠一定程度上緩解低位采空區抽采巷的抽采負擔，減小其安全風險。通過分析可知，受煤層采動影響，在其范圍內的巖體壓力平衡被破壞，發生下沉、膨脹變形，產生離層裂隙和豎向破斷裂隙，煤巖體內游離瓦斯通過裂隙在浮力作用下最終匯聚在煤層頂板裂隙帶內[6]，而地面L型鉆孔近水平段層位控制在儲存有高濃度瓦斯的裂隙帶內，因此抽采濃度較高；由于地面L型鉆孔抽采作用，冒落帶部分瓦斯會流向L型鉆孔，減少了抽采巷部分抽采負擔，另外地面L型鉆孔近水平段位于低位采空區抽采巷上部，抽采巷內也會有小部分瓦斯通過巖石縫隙流向L型鉆孔，因此在地面L型鉆孔抽采時，抽采巷內瓦斯濃度會減小；同理，由于地面L型鉆孔抽采部分高濃度瓦斯，工作面上隅角瓦斯濃度也相應減少，但由于層位較遠對工作面上隅角影響相對較小。

由于此次探索實踐的地面L型鉆孔近水平段裸孔直徑為216 mm，套管直徑為150 mm，孔徑較小，加之抽采泵額定流量較小，抽采能力有限，在一定程度上限制了地面L鉆孔治理效果的發揮；由于受到施工成本、施工設備、現場實際等因素制約，未對大直徑L鉆孔的治理效果進一步考察，不過可以預測如采用較大直徑鉆孔，配套大能力抽采泵，L鉆孔對抽采巷抽采負擔減輕，安全隱患消除的作用將更加明顯。

5　結論

1)采用以大直徑、大流量、低負壓為特點的低位采空區抽采巷抽采法，能有效治理特厚煤層大采高綜放工作面瓦斯問題。

2)地面L型鉆孔抽采裂隙帶瓦斯能夠有效緩解低位采空區抽采巷抽采負擔，使其瓦斯平均濃度由4.43%降低為3.37%，降低了24%。

3)隨著定向鉆探技術的發展，在厚及特厚煤層開采過程中，采用大直徑地面L型鉆孔及大直徑地面垂直鉆孔治理工作面瓦斯問題將成為煤炭行業發展趨勢。

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