綜采工作面走向大孔徑高位孔瓦斯抽采試驗研究

胡志偉，董 賀，年 軍

（1．山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原030000；2．煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽110000；3．煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

在我國，解決回采工作面上隅角瓦斯超限問題，主要從通風和瓦斯抽采2 個方面入手；但隨著煤礦機械化程度提高及煤層開采向深部延伸，工作面瓦斯涌出強度增大，特別是高瓦斯綜放工作面，單依靠通風難以解決工作面回采期間的瓦斯治理問題[1-3]。為此，必須從瓦斯抽采入手，增加工作面回采瓦斯治理的研究。目前，我國煤礦回采工作面常用瓦斯抽采技術措施主要有煤層預抽、采空區埋管抽放、煤層頂板傾向高位鉆孔抽放、高抽巷及煤層頂板走向高位鉆孔抽放瓦斯等技術措施，或聯合采用上述措施[4-6]。屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，工作面回采強度大，采用高抽巷措施雖取得較好瓦斯治理效果，但因工程費用高，工期長，長期會嚴重影響礦井采掘生產部署。為此，提出綜放工作面頂板走向高位孔瓦斯抽采工程試驗研究。

1 工程試驗背景

屯蘭礦為高瓦斯突出礦井，煤巖總厚度為4.49～4.64 m，平均厚度為4.57 m，煤層有益厚度3.32 m；12507 工作面位于南五盤區左翼，工作面走向長度為1 648 m，回采區段煤層賦存呈向斜，以平均4°的傾角下山，再以平均7°的傾角上山，工作面中部有東大嶺向斜軸部，在向斜軸部附近可能存在瓦斯富集區。該礦三盤區首采工作面22306 回采期間采空區瓦斯治理措施為煤層頂板瓦斯治理巷進行采空區瓦斯抽采，瓦斯治理巷位于煤層頂板上方30 m，內錯回風巷20 m；經工程實踐，瓦斯治理巷可高效抽采采空區瓦斯確保煤礦安全生產，但高抽巷存在施工周期長，工程費用高及難以維護問題。為此，在屯蘭礦12507 工作面進行煤層頂板走向高位大孔徑瓦斯抽采鉆孔工程試驗。

2 工程試驗理論基礎

2.1 綜采面瓦斯來源理論分析

綜放工作面回采過程中，根據其采煤工藝特征可知，位于采煤機液壓支架后方的煤層上部煤體因采煤操作而破碎，并滾落至采場刮板部位，破碎的煤體加劇煤層瓦斯的解吸并涌現至工作面，這些瓦斯在風流作用下，大部分被引流到工作面上隅角處，成為上隅角瓦斯的主要來源。其次，由于煤層賦存變異系數大導致開采效率低與常規機械采煤法，采空區遺煤較嚴重，這些遺煤解吸出的游離瓦斯則成為采空區瓦斯的源頭；此外，隨著工作面前移、推進，采空區逐漸被上覆垮落的無規則狀塊狀巖石填充密實，這些塊石之間的相交形式為面于面、點與面或點與點的物理接觸關系。因此，采空區必然存在大量的無規則狀裂隙空間，這些裂隙空間不僅為瓦斯賦存提供所需的空間，同時成為采空區瓦斯涌出并流向上隅角的流通通道[7-8]。

2.2 高位孔瓦斯抽采機理

隨煤層開采、工作面推進，原始煤體對上覆巖層的支撐力消失，當采空區形成一定規模范圍時，巖石因本身強度不足以抵抗自重及其上覆巖層壓力而發生破壞和移動，在豎向方向的破壞情況不同可劃分為跨落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，其橫向方向的破壞情況可劃分為煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區[9]。綜合橫向與豎向破壞區域特征講，進風巷及回風巷與工作面的交錯拐點后方煤壁支撐區段為采空區的煤壁支撐影響區和斷裂帶、跨落帶的重疊影響區域。該區段垮落的巖石未能完全嚴實，尚存在大量瓦斯可游離賦存的空間，由于瓦斯密度小，積聚的瓦斯在浮力作用下一部分會上升至煤層頂板斷裂帶的巖層裂隙內，剩余部分則在風流引力作用下，在進風巷一側，風流易進入從而致使采空區瓦斯涌出流動；在回風巷一側瓦斯則易被風流帶出，成為上隅角瓦斯的一部分。因此，通過在回風巷處煤層頂板一定高度施工鉆孔至上述重疊區域，可源源不斷將采空區瓦斯抽出，避免回風巷上隅角瓦斯積聚，解決綜采工作面上隅角瓦斯濃度超限的問題。

3 試驗方案

3.1 高位孔層位選擇

煤層頂板走向大孔徑長距離高位鉆孔為抽采采空區瓦斯、解決綜放工面上隅角瓦斯濃度過高而設計。根據上述高位孔瓦斯抽采理論分析可知，工作面采空區瓦斯主要賦集于采空區斷裂帶內；雖然采空區跨落帶也職聚大量瓦斯，且其與斷裂帶之間相互導通，但在跨落帶形成過程中，容易發生垮落的巖石將位于跨落帶內的鉆孔破壞或堵塞，以至影響鉆孔瓦斯抽采效果。此外，斷裂帶上部巖層裂隙發育不均勻，可能存在裂隙未發育的區域，裂隙已發育區域存在裂隙發育不充分，巖層透氣性差，不能形成有效的瓦斯流通通道。鑒于此，走向高位孔層位應選擇位于采空區上覆圍巖斷裂帶的中下部。根據相關研究[10-11]，采空區上覆圍巖斷裂帶高度HL計算公式見表1。

表1 采空區上覆圍巖斷裂帶高度計算公式

借鑒屯蘭礦北三盤區首采工作面22306 回采期間，通過采用高抽巷進行工作面回采期間上隅角瓦斯抽采治理措施，經高抽巷已完工程實際考察，2#煤層工作面回采期間采空區斷裂帶層位為2#煤層頂板以上15～35 m 之間，高抽巷在煤層頂板28 m 處布置時瓦斯抽采效果較好，鑒于此，該試驗鉆孔層位選取于2#煤頂板上方12～30 m 之間。

3.2 高位孔水平位置確定

考慮采空區三帶橫向與豎向在回風巷煤壁支撐區域分布特征，高位走向孔水平位置應選擇位于距回風巷內側部位一定距離，即煤壁支撐影響區與斷裂帶交匯重疊區域。鉆孔位于該區域不僅可保障鉆孔成孔質量，同時位于回風巷巷道應力集中影響區域外，有利瓦斯高效抽采。由于斷裂帶高度沿采空區橫向方向分布近似拋物線狀態，即工作面中心區域附近高度最大，進、回風巷處高度最小，因此，鉆孔距回風巷水平間距與斷裂帶高度分布密切相關。在其位置選擇時，應保證鉆孔距工作面高度與鉆孔距回風巷水平間距的比值小于采區巖石垮落角正切值，即α

圖1 高位孔終孔布置示意圖

3.3 鉆場及鉆孔施工

工作面走向高位孔為定向拐彎鉆孔，鉆孔施工設備為ZDY-12000L 型鉆機，鉆機成孔過程可通過人為操作來改變鉆孔軌跡；鉆孔施工一般要求鉆孔為具有一定仰角（3°～5°）的爬坡孔，其首先施工小孔徑導向鉆孔，而后再用大孔經鉆頭進行擴孔，這樣有利鉆孔排渣及有效排出鉆孔積水，提高鉆孔成空率，同時降低后期抽采過程鉆孔堵孔率；根據12507工作面瓦斯涌出預測及工作面風排瓦斯情況，12507工作面風量為1 560 m3/min，采用通風可以稀釋的瓦斯量為3.5 m3/min，抽采可解決的瓦斯為21.69 m3/min，其中采空區抽放瓦斯量為6 m3/min。為保障采空區瓦斯抽采量達標，12507 工作面高位鉆孔孔徑選取215 mm，鉆孔長度600 m，高位孔施工鉆場間距550 m，鉆孔施工布置示意圖如圖2。

圖2 鉆孔施工平面布置示意圖

3.4 鉆孔封孔與抽采監控測量

為保障高位孔瓦斯抽采流量及瓦斯抽采率，一是要提高鉆孔質量，二是實現鉆孔封孔效果好。由于大孔經走向高位孔施工工序為先施工113 mm 的小孔徑導向孔，然后用215 mm 的擴孔鉆孔進行擴孔，因此該施工工藝可保障鉆孔成孔質量高、鉆孔孔徑均能達到設計值。工程試驗鉆孔封孔材料采用聚氨酯，待鉆孔施工完畢，用聚氨酯將DN25 mm 鐵管封堵各高位鉆孔，鉆孔封孔深度介于18～20 m 之間，鐵管外漏端頭均設有撿漏計量調節裝置，從而進一步降低各孔之間的相互影響，保障鉆孔瓦斯抽采成功率。待封孔完畢，再用軟管將鐵管與連接到φ325 mm 抽采管路中，φ325 mm 抽采管路通過井下φ711 mm 抽采管路與地面φ813 mm 抽采管路連接，這樣可保障鉆孔抽采負壓高。

4 試驗結果與分析

4.1 高位孔瓦斯抽采統計分析

12507 工作面切眼距鉆場1 距離為550 m，用時187 d 回采至鉆場1；在工作面回采期間，每天對鉆場1 各高位鉆孔瓦斯抽采情況進行觀測統計。經數據處理分析，12507 工作面距鉆場1 間距250～350 m期間，鉆孔瓦斯抽采平均濃度分布曲線如圖3，高位孔瓦斯抽采平均流量如圖4。

圖3 鉆孔瓦斯抽采平均濃度分布曲線

由圖4 可以看出，工作面走向高位孔瓦斯抽采平均濃度介于81.9%～84.5%，瓦斯濃度波動為3.17%；鉆孔平均瓦斯抽采純量為4.54～7.34 m3/min；這說明在用聚氨酯封孔18 m 深情況下，走向高位孔對采空區瓦斯抽采效果較好。其次，由圖4 瓦斯抽采純量與混合量曲線變化趨勢可知，在鉆孔平均瓦斯抽采濃度變化不大情況下，鉆孔平均瓦斯抽采純量與混合量成正相關關系。

圖4 高位孔瓦斯抽采平均流量

4.2 上隅角瓦斯濃度統計分析

回風巷上隅角瓦斯由瓦斯傳感器進行實時監測記錄，可通過監控監測系統進行數據查詢統計；由于該數據為連續的時刻數據值，為真實有效進行統計分析，現將每天統計數據按如下方法進行處理。

式中：Xi為第i 天上隅角瓦斯濃度；Xi（t1，t2，t3）為第i 天上隅角瓦斯濃度特征值，t1、t2、t3為第i 天的1/3時刻、2/3 時刻、1 時刻；xmin、xeav、xmax為第i 天上隅角瓦斯濃度最小值、平均值、最大值。

根據式（1）對12507 工作面距鉆場250 ～350 m區間回采時上隅角瓦斯進行數據處理分析，工作面回采期間上隅角瓦斯濃度變化如圖5。

圖5 工作面回采期間上隅角瓦斯濃度變化

由圖5 可知，12507 綜放面回采回采至鉆場250～350 m 期間，僅出現1 次上隅角瓦斯濃度超限，為1.7%；在其余時段，回風巷上隅角瓦斯濃度整體波動介于0.02%～0.92%，每天最大瓦斯濃度介于0.3%～0.92%，每天平均瓦斯濃度介于0.3%～0.77%。由此不難看出，高位走向鉆孔可有效預抽采空區瓦斯，解決工作面放頂煤期間因大量煤體解吸使瓦斯涌向回風巷上隅角，導致上隅角瓦斯超限的問題。

5 結 論

1）綜采工作面采空區瓦斯易賦集在回風巷煤壁支撐區及離層區與斷裂帶重疊交錯地帶，頂板走向大孔徑高位鉆孔終孔位于該區段有較好瓦斯抽采效果，有利解決上隅角瓦斯超限問題。

2）屯蘭礦走向高位孔距煤層頂板12～30 m，內錯回風巷17 m 情況下，高位孔抽采空區瓦斯濃度平均值達80%以上，鉆孔瓦斯抽采純量平均值在4.5 m3/min 以上；可有效保障高瓦斯突出礦井綜采工作面正常回采期間上隅角瓦斯不超1%。