高突礦井大采高工作面瓦斯抽采技術及實踐*

李 宏，劉明舉，高 宏

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著煤炭開采機械化水平的提高，加之煤層開采深度以5～10 m/a的幅度向深部區域延伸，礦井瓦斯涌出量、瓦斯含量和瓦斯壓力逐年增大的趨勢明顯[1-3]。對于回采面回采期間的瓦斯治理由單一的順層鉆孔抽采向多源頭的立體化瓦斯抽采模式轉變，采面通風方式亦由傳統的U型通風向“兩進一回”、沿空留巷等通風方式轉變[4-5]。對于晉城礦區開采的厚煤層而言，上述轉變雖可一定程度緩解回采面回采期間異常瓦斯涌出導致的瓦斯超限問題，但上隅角瓦斯濃度仍處于0.8%～1.0%的高風險值，給安全生產帶來巨大隱患，采用低位、中位及高位鉆孔等多源頭的瓦斯抽放方式就顯得尤為必要[6-8]。

寺河礦東井區為煤與瓦斯突出礦井，核定生產能力4.0 Mt/a，可采煤層為二疊系下統山西組3號煤層和石炭系上統太原組9號和15號煤層，不可采煤層5號煤層和7號煤層處于3號煤層和9號煤層之間，5號煤層距3號煤層底板14 m。目前開采的3號煤層平均厚度5.64 m，平均埋深470 m，原始瓦斯含量17～28 m3/t，原始瓦斯壓力1.2 MPa，煤層透氣性系數為2.05 m2/(MPa2·d)，最大吸附常數a為值47 m3/t·r，煤層具有突出危險性。東五盤區是寺河礦東井目前的生產盤區，回采工作面采用一次采全高回采工藝。由于該礦煤層賦存條件穩定，盤區內地質構造簡單，采用的大采高回采工藝可有效提高礦井產能，但由于大采高開采方式具有回采速度快、機械化程度高等生產特點，導致本煤層、臨近層及采空區瓦斯在采動影響下會異常涌出，若瓦斯治理措施不到位，極易造成工作面上隅角瓦斯超限事故發生，威脅到礦井安全高效生產。

1 東五盤區采面瓦斯問題

東五盤區首采面為已回采結束的5301工作面，5302工作面為東五盤區第2個回采工作面。5301工作面回采前，經過地面鉆井超前抽采、本煤層區域和局部抽采措施后，煤層瓦斯含量有所降低，但受生產銜接緊張的影響，采面部分區域煤體的瓦斯含量仍較高。5301工作面采用“三進兩回”通風系統，回采期間回風巷瓦斯濃度一直保持在1.0%左右，風排瓦斯涌出量為70 m3/min，總瓦斯涌出量為115 m3/min，發生多起礦井內控瓦斯超限事故。5301工作面采用的通風方式存在如下缺陷：1)使用尾部通風，存在采空區通風嫌疑；2)工作面回風巷瓦斯濃度高，風排瓦斯量大；3)工作面配風量大，風速易超限；4)工作面需要施工5條巷道，工作面圈定周期長，易導致礦井采掘失調，且工作面回采率低，資源浪費嚴重。

為吸取5301采面瓦斯治理經驗的不足，避免瓦斯超限事故發生，需徹底改變5301采面傳統使用的瓦斯抽放方法，在分析采面瓦斯涌出來源的基礎上，創新性地提出了大采高多源頭瓦斯抽采技術，在瓦斯涌出采掘空間之前即采取有效的攔截措施，最大限度減小回風巷道內的瓦斯積存量。

2 5302采面回采前的瓦斯現狀

5302采面采用“兩進一回”通風方式，工作面走向長1 363 m，傾斜長296 m，煤層原始瓦斯含量24.8 m3/t，煤層平均煤厚6.0 m，傾角5°，地面標高568～710 m。煤層上部的偽頂為0.6 m的炭質泥巖，直接頂為3.5 m的粉砂巖，基本頂為6.3 m的細粒砂巖，底板以波狀層里的粉砂質泥巖為主。

通過對5301采面瓦斯涌出的實測數據分析，該采面總瓦斯涌出量115 m3/min，風排瓦斯涌出量70 m3/min，其中底板下部的5號和7號煤層臨近層瓦斯涌出約15 m3/min，采空區瓦斯涌出約20 m3/min，頂板裂隙帶及圍巖涌出瓦斯約30 m3/min，巷道煤壁及其他地點涌出瓦斯約5 m3/min。為了有效攔截本煤層、臨近層和采空區及圍巖裂隙涌出的大量瓦斯，對5302采面實施了多源頭的瓦斯抽放方法(見圖1)，主要措施包括：1)采面回風巷側采用千米鉆機施工頂板走向長鉆孔、用普通鉆機施工中位孔與低位孔抽采頂板裂隙帶及圍巖涌出的瓦斯；2)采用千米鉆機在回風巷施工下臨近層底板定向長鉆孔攔截5#和7# 煤層的瓦斯涌出；3)在工作面采空區的后部巷道內向切眼上方底板施工穿透孔抽采初采期間頂板垮落涌出的瓦斯；4)采用采空區埋管抽放采空區積聚的瓦斯。

圖1 5302回采面頂板走向長鉆孔和中位鉆孔布置Fig.1 Roof strike long drilling and middle drilling layout of 5302 mining face

3 大采高工作面瓦斯治理

為解決大采高工作面高機械化快速推進引起的瓦斯異常涌出問題，在5302工作面實施了多源頭的瓦斯抽放技術實踐，措施主要包括：

1)頂板走向長鉆孔

較多研究學者[9-12]對頂板走向長鉆孔的垂直和水平層位進行了研究，對回采面頂板上方覆巖內規律性出現冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的演化規律進行了研究[13-14]，并采用鉆孔抽采、數值模擬等手段[15-16]，確定了在裂隙帶的“O”型圈富集了高濃度的瓦斯氣體。基于此種瓦斯賦存機理，采用頂板走向長鉆孔進行“O”型圈定位抽采。該礦經多年頂板高位鉆孔的層位研究，結合裂隙帶高度一般為采高的5～10倍經驗公式，設計將鉆孔布置在距離煤層頂板50～60 m的范圍內。使用VLD-1000型鉆機在該采面21#橫川內施工了4個走向鉆孔，鉆孔參數見表1 。

表1 頂板走向長鉆孔實際成孔數據Table 1 Actual borehole formation date of roof strike long drilling

2)中位鉆孔

初采階段頂板跨落不完全，頂板冒落帶、裂隙帶劃分不清，傳統高位鉆孔此階段不能發揮作用，然而此階段遺煤瓦斯、鄰近層卸壓瓦斯等導致采空區瓦斯量快速增大。對此，設計施工中位鉆孔抽采初采段采空區瓦斯，此階段是煤層直接頂板活躍時期，采空區頂部“三帶”沒有形成，中位孔的層位布置在直接頂與基本頂的交界位置。寺河礦的直接頂厚度6 m左右，而正常回采后采空區上部裂隙帶在煤層頂板上30～60 m，即采高的5～10倍，據此，中位孔的層位選擇在5～25 m范圍內考察試驗，布孔參數如表2所示。在53022巷與53023巷之間的24#橫川設計施工中位鉆孔5個。

3)下臨近層底板定向長鉆孔

采用VLD-1000型鉆機在采面回風巷橫川向下臨近層施工3個底板定向長鉆孔，用于攔截開采層下部5#和7#煤的瓦斯涌出，各鉆孔參數見表3。

表2 中位鉆孔實際成孔數據Table 2 Actual borehole formation data of middle borehole

表3 底板定向長鉆孔實際成孔數據Table 3 Actual borehole formation date of bottom direction long drilling

4 試驗效果分析

4.1 頂板走向長鉆孔抽采效果

圖2為頂板走向長鉆孔抽采參數曲線。依據各鉆孔的瓦斯抽放數據變化可知，1#鉆孔最高瓦斯濃度達到80%，抽采量最高達到17.5 m3/min，抽采服務時間達到75 d，而2#鉆孔和4#鉆孔瓦斯濃度和瓦斯抽采量均低于1#鉆孔，分析認為是鉆孔距53023巷的水平距離和距開采煤層頂板的垂直距離未布置在采空區裂隙帶的理想層位所致。由于2#和4#鉆孔垂直層位均低于1#鉆孔，可能原因是鉆孔均處于裂隙帶“O”型圈的下部邊緣，即位于冒落帶的頂部范圍。同時可以發現，2#鉆孔的抽采濃度和抽采量均高于4#鉆孔，2#鉆孔保持較高瓦斯濃度是因為距離53023巷比4#鉆孔的19 m更遠，對回采期間巷道采動影響較小，而4#鉆孔距離53023巷較近，可能存在采動卸壓導致的頂板裂隙帶富集的瓦斯向回風巷道空間溢散，影響了其抽采效果。而3#鉆孔的抽采濃度和抽采量均較低，可以確定3#鉆孔位于裂隙帶“O”型圈的上部，即處于彎曲下沉帶范圍，因為該范圍內僅有橫向的離層裂隙而豎向破斷裂隙未發育，該區域的瓦斯無瓦斯補給來源，從而導致4#鉆孔抽采的濃度和抽采量均較低。因此，可以確定1#孔位于裂隙帶的瓦斯富集區，鉆孔距開采煤層頂板的合理垂直距離為40±5 m、距53023巷的水平距離為50±10 m時，抽采效果最佳。

圖2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線Fig.2 Variation curve of gas drainage parameters in long hole with roof strike

4.2 中位鉆孔瓦斯治理效果

圖3為中位鉆孔抽采參數曲線。從圖3中各鉆孔的瓦斯濃度和抽采純量的曲線變化可以看出，3#鉆孔的瓦斯濃度和抽采量均比其他鉆孔高，通過對工作面推進過程中0～221 m范圍內鉆孔的抽采數據統計計算分析，3#鉆孔共計抽采瓦斯量277.7萬m3，是抽采效果最差的5#鉆孔40.6萬m3的6.8倍，與4#鉆孔的194.5萬m3的抽采變化規律相當。結合表2鉆孔的實際施工參數，在距離工作面切眼較近位置施工頂板中位鉆孔時，中位鉆孔距開采煤層頂板的垂直距離為20 m，距53023巷的水平距離45～50 m時抽采效果最佳。

圖3 中位鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線Fig.3 Variation curve of gas drainage parameters in middle hole

4.3 下臨近層穿層定向長鉆孔

圖4為下臨近層底板定向長鉆孔抽采參數曲線。從圖4可以看出，1#鉆孔抽采濃度和抽采量均較大，抽采效果明顯高于2#和3#鉆孔，其中1#鉆孔的總抽采量為476.3萬m3，均高于2#鉆孔的160.8萬m3和3#鉆孔的141.3萬m3抽采量。且在整個抽采周期內，1#鉆孔的抽采量穩定期較長，在工作面回采的30-220 m范圍，其抽采量穩定保持在4.5 m3/min水平。可以確定，底板下臨近層定向長鉆孔與53023巷的最佳水平間距為20 m，鉆孔與開采煤層底板的垂直距離以下臨近層與開采層的間距為準。

圖4 下臨近層底板定向長鉆孔瓦斯抽采參數變化曲線Fig.4 Variation curve of gas drainage parameters in bottom directional long drilling

4.4 總體效果評價

瓦斯抽采措施效果考察對比結果見表4。從表4中可以看出，頂板走向長鉆孔是工作面瓦斯治理最為有效的措施，其抽采的瓦斯量占3種措施瓦斯抽采總量的79.6%，在工作面瓦斯治理措施中優勢明顯，這為后續工作面瓦斯治理措施的優選提供了依據，而下臨近層底板定向長鉆孔抽采和中位鉆孔抽采是工作面回采期間瓦斯治理的輔助性措施。從高位鉆孔的高效抽采效果來看，該礦后續的瓦斯治理措施中，可以加大高位走向長鉆孔的施工密度和分支孔長度，使鉆孔分布在垂直層位40±5 m、水平層位50±10 m范圍，同時提高分支孔的開孔率，以實現定向長鉆孔可在頂板裂隙帶內更大抽采影響范圍，從而使中位鉆孔的工程量減少甚至不必施工，達到抽采效果最佳和工程量最為經濟的目的。

表4 不同瓦斯抽采措施效果對比Table 4 Comparison of effects of different gas drainage measures 萬m3

圖5為工作面回風巷瓦斯濃度變化曲線。從圖5可以看出，在工作面風量穩定在1 500 m3/min前提下，工作面回采開始的13∶00-0∶00時間段內，由于各瓦斯抽采措施未發揮作用，上隅角和工作面瓦斯濃度一直保持在0.43%左右水平，但當工作面回采到50 m左右位置(即0∶30)后，中位鉆孔抽采效果開始顯現，工作面瓦斯濃度下降至0.3%左右。待工作面回采到100 m左右(即7∶30)后，頂板上方形成了采空區“三帶”和“O”型圈，位于頂板裂隙帶內的走向高位鉆孔開始發揮作用，瓦斯濃度進一步下降。

圖5 工作面回風巷瓦斯濃度變化曲線Fig.5 Change curve of gas concentration in return air roadway of working face

5 結論

1)采用多種瓦斯抽采措施對工作面頂板裂隙帶、采空區進行瓦斯抽采，工作面回風巷瓦斯濃度由0.6%下降至0.36%，下降幅度達40%；工作面采空區抽放量由原來的15 m3/min左右增大至30 m3/min左右，采空區抽放量增加了10～15 m3/min，風排瓦斯量由原來的50 m3/min減少到30 m3/min。

2)對頂板走向長鉆孔的抽采效果考察，確定了鉆孔與開采煤層頂板的間距處于40±5 m范圍時，可最大程度抽采頂板覆巖瓦斯富集區積存的瓦斯，鉆孔與53023巷的水平間距為50±10 m左右時，可有效避免回采面因采動卸壓而影響到裂隙帶富集區瓦斯向采掘空間逸散，影響鉆孔的瓦斯抽采效果。對中位鉆孔的抽采效果分析后得出，該措施應作為頂板采空區抽采的輔助措施，鉆孔距開采煤層頂板20 m左右，距53023巷水平間距45～50 m時，抽放效果最佳。下臨近層定向長鉆孔是有效攔截下部5#煤和7#煤向上部采掘空間涌出瓦斯的有效手段，確定了下臨近層底板定向長鉆孔與53023巷的水平間距20 m，鉆孔布置在下臨近層的煤層中，鉆孔抽放效果最佳。

3)通過對3種不同瓦斯治理措施的綜合考察，確定頂板走向長鉆孔是治理回采面最有效的措施，其抽采量占總抽采量的79.6%，中位鉆孔抽采和下臨近層底板定向長鉆孔抽采是回采面回采期間的輔助性措施。建議礦井在后續的瓦斯治理過程中，應加大頂板走向長鉆孔的鉆孔密度和分支孔的開孔率。