特厚煤層綜放面的頂抽巷大直徑導通鉆孔技術研究

孫 亮 孫珍平

(1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西省大同市，037000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧省撫順市，113122)

綜采放頂煤開采技術是近幾年發(fā)展起來的一項先進開采技術，該技術具有高產(chǎn)、高效、低耗等優(yōu)點，已經(jīng)成為煤炭開采技術的主導方向之一[1-4]。瓦斯事故一直是制約礦井安全生產(chǎn)的一大瓶頸，尤其對于特厚煤層的綜放工作面來說更為突出[5-8]。因此如何防止特厚煤層工作面開采初期瓦斯事故，是煤礦安全生產(chǎn)研究的永恒課題。國內(nèi)眾多學者針對此類問題進行了大量研究，并取得豐碩成果。譚永福等[9]以南山煤礦為研究背景，采用高位鉆場、封閉充填防漏等技術，結合高位巷抽采的綜合防治技術，防止了因周期來壓瓦斯的瞬間大量涌出，保證了工作面安全回采；陳瑞峰[10]以塔山煤礦為研究對象，對初采期間瓦斯超限的原因進行了詳細分析，提出了一整套防治瓦斯超限的措施，保證工作面初采期間安全回采；趙建安等[11]針對易自燃煤層在掘進、初采和回采期間瓦斯涌出，采用綜合防治措施，效果顯著，保證工作面正常回采。以上研究成果在一定程度上有效解決了初采期間瓦斯超限問題，但是有些成本過高，效果也有待進一步考察。本文以同煤國電同忻煤礦有限公司8209工作面為研究背景，采用頂抽巷大直徑導通鉆孔治理工作面初采期間瓦斯超限問題。該種方法不僅成本低，而且治理效果顯著，為特厚煤層綜放面初采瓦斯治理提供了借鑒意義。

1 工程概況

8209工作面位于二盤區(qū)東部，如圖1所示，設計走向長度2120.7 m。工作面煤層情況較穩(wěn)定，煤層最大厚度為23 m，最小厚度為17 m，平均厚度20.2 m。該工作面的煤大部分為1/3焦煤，黑色，光亮、半亮、暗淡型，裂隙發(fā)育，半堅硬，夾矸為泥巖、炭質(zhì)泥巖。工作面屬單斜構造，煤層傾角0°～2°，平均傾角1°，煤層走向北南～北東，傾向北。根據(jù)相鄰采掘巷道揭露情況推測，掘進至回風巷北幫起737 m左右將揭露1條正斷層，落差在2 m之間。從目前已掘進的北二盤區(qū)輔運大巷、膠帶大巷、回風大巷3條巷道揭露情況，及鉆孔資料分析，區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單。

同忻礦8209綜放工作面采用“U+I型”通風方式，工作面采用3巷布置，即膠帶巷(進風巷)、專用回風巷分別沿3#～5#煤層底板布置，1條頂抽巷沿3#～5#煤層頂板布置。頂抽巷掘進頭距切眼5 m，與尾巷內(nèi)錯15 m。當工作面回采15～30 m，頂抽巷與采空區(qū)塌通后，利用在頂抽巷正巷口構筑一道密閉并嵌入的瓦斯抽放管將工作面上隅角、采空區(qū)及放煤后頂部有害氣體經(jīng)頂抽巷抽出，達到初采期間瓦斯治理的目的。頂抽巷掘進完成到投入抽放，一般有1年左右的停掘供風期，增加了局部通風等一系列費用。

為了更好地解決工作面初采期間上隅角、后溜尾瓦斯易超限的問題，同忻礦一直沿用在頂抽巷掘進頭向切眼方向施工10多個?108 mm通風小鉆孔的方法，讓頂抽巷提前實現(xiàn)抽放功能。但這種方法因鉆孔通風斷面小、通風阻力大等原因，造成了初采期間抽放泵運行負壓高、流量和工效低，加大了抽放泵的運行負擔和隱形維修成本[12-15]。因此針對以上問題，提出了頂抽巷大直徑提前導通通風鉆孔的想法。

2 頂抽巷大直徑提前導通通風鉆孔工藝

2.1 實現(xiàn)頂抽巷與切眼的提前導通停用局部通風機

同忻礦提出了利用通風鉆孔提前導通頂抽巷和切眼，形成一進二回通風系統(tǒng)。頂抽巷提前導通形成全風壓通風系統(tǒng)后，就可以將頂抽巷內(nèi)通風機關停，可以節(jié)約一大部分通風機看護、風筒維護、局部通風機電費等費用。同時可消除頂抽巷因局部通風機無計劃停風造成的瓦斯、缺氧窒息等事故，安全經(jīng)濟效益巨大。同忻礦在二盤區(qū)8209工作面先行試驗，通風系統(tǒng)貫通前后情況如圖1所示，圖中Q為通風量。

圖1 8209頂抽巷掘進頭通風鉆孔貫通前、后通風系統(tǒng)圖

8209頂抽巷與切眼貫通后，頂抽巷內(nèi)局部通風機停止運行，工作面整體改為一進二回通風系統(tǒng)，有效節(jié)約8209頂抽巷的局部通風費用。

2.2 小鉆孔貫通擴孔施工

目前，同煤集團范圍內(nèi)利用反井鉆機施工大直徑鉆孔的方法已經(jīng)成熟，但該方法的現(xiàn)場施工條件要求多且施工費用高。針對同忻礦的現(xiàn)場條件，設計了先從8209工作面切巷內(nèi)施工8個?146 mm小鉆孔貫通，再施工5個?270 mm大鉆孔貫通(貫通位置為8209頂抽巷巷道底板距掘進頭約1 m處)，最后從8209頂抽巷內(nèi)用風鎬將鉆孔逐步刷大至直徑1.2 m的方法。有效實現(xiàn)了頂抽巷大直徑通風鉆孔導通，構思巧妙，簡單實用。鉆孔施工方案如圖2所示。

圖2 8209工作面頂抽巷大直徑通風鉆孔設計圖

2.3 瓦斯治理效果分析

在采取前述工作面初采期瓦斯治理綜合措施后，對 8209 工作面開始回采。圖3為 8209 工作面和8201工作面初采200 m 范圍內(nèi)的絕對瓦斯涌出量。其中，8209工作面采取了頂抽巷大直徑通風鉆孔治理初采期間瓦斯，8201工作面未采取以上措施。

圖3 8209、8201工作面初采期間工作面絕對瓦斯涌出量變化曲線

由圖3可以看出，風排瓦斯量均衡、未出現(xiàn)采空區(qū)瓦斯集中釋放及超限情況，8209 工作面初采 200 m 范圍內(nèi)未出現(xiàn)大規(guī)模的瓦斯異常涌出情況，與 8201 工作面相比，未出現(xiàn)其在回采初期的2處瓦斯異常涌出高值。采取頂抽巷大直徑通風鉆孔后，8209 工作面回采初期瓦斯涌出情況相對平穩(wěn)。

3 社會經(jīng)濟效益分析

通過實施頂抽巷大直徑通風鉆孔提前導通工程，有效降低了頂抽巷在工作面?zhèn)洳善陂g的局部通風費用。同時，采用小鉆孔貫通配合大直徑鉆頭擴孔，造成煤體垮落自然成孔，大幅降低了鉆孔施工費用。另外，在工作面初采期間可實現(xiàn)頂抽巷的提前導通使用，降低了抽放泵隱性維修成本，提高了頂抽巷初采期間的抽采流量及效果，取得了極好的安全和經(jīng)濟效益，在全集團公司3#～5#煤層類似礦井具有很高的應用和推廣價值。本文主要從局部通風費用核算，以及頂抽巷降坡貫通法、反井鉆機貫通法、小鉆孔擴孔貫通法3種貫通方法進行經(jīng)濟社會效益比較分析。

3.1 經(jīng)濟效益

3.1.1 局部通風費用計算

(1)電費。在8209頂抽巷在未貫通前，采用局部通風的方式，其使用局部通風機為FBD-NO7.5型局部通風機，該通風機的運行功率為2×55 kW(二級)，若電費價格按照0.65元/kW·h計算，運行時長每年按照300 d取值，則一年所需要的電費為51.48萬元。

(2)局部通風設施折舊及人工維護費用。局部通風機在使用過程中產(chǎn)生以下3個方面的費用。第一，風筒折舊費：在使用局部通風機供風時，供風距離按照1700 m(即10 m/節(jié)，共170節(jié)風筒)，風筒折舊費按照200元/節(jié)計算，風筒折舊費約為3.4萬元；第二，通風機折舊費：通風機使用的折舊費每年按照6萬元，使用年限為5年，風機折舊費約為1萬元；第三，人工費：每班人工按照200元/工，2人/班計算，維護時長為300 d，人工費約為18萬元。因此，局部通風設施折舊及人工維護費用約為22.4萬元。

根據(jù)以上計算可知：按照備采期10個月計算，8209頂抽巷改為全風壓通風后可節(jié)約局部通風費用約73.88萬元。

3.1.2 頂抽巷貫通3種方法費用對比

3種貫通方法費用比較見表1，由表1可知，此種鉆進方法可節(jié)約工程費用4.73～6.73萬元。

表1 3種主要方法費用粗算比較

根據(jù)以上兩個主要經(jīng)濟指標的比較，通過實施頂抽巷大直徑提前導通通風鉆孔，直接經(jīng)濟效益可達78.61～80.61萬元。

3.2 社會效益

頂抽巷改為負壓通風后，消除了局部通風機無計劃停電停風造成的瓦斯超限事故甚至缺氧窒息等安全事故隱患，安全效益和經(jīng)濟效益巨大。在集團公司嚴格瓦斯超限追責管理的安全形勢下，更顯方案的推廣價值。

與國內(nèi)實行的其他頂抽巷貫通方法相比較，同忻礦實施的頂抽巷與切眼提前導通技術具有簡單實用效果好的優(yōu)點，有效增加了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了初采期間的瓦斯抽采效果。同時該項技術在8209頂抽巷、8209工作面切眼內(nèi)均需施工鉆孔，8209工作面切眼內(nèi)施工鉆孔時需做好安全防護工作，防止掉落的煤體砸傷人。該技術可以在全集團公司類似采掘布置的礦井應用推廣，具有很高的安全和經(jīng)濟推廣價值。

4 結語

(1)頂抽巷大直徑提前導通通風鉆孔的應用，有效增加了通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增強了初采期間的瓦斯抽采效果，解決了特厚煤層綜放面初采期間瓦斯超限問題，對類似條件的其他礦井具有借鑒意義。

(2)頂抽巷大直徑提前導通通風鉆孔技術大幅降低了頂抽巷停掘供風期間的通風費用，降低了抽放泵隱性維修成本，提高了頂抽巷初采期間的抽采流量，效果很好，取得了極好的安全效益和經(jīng)濟效益，在類似礦井具有很高的應用和推廣價值。