晉能集團馬堡煤業采動區以孔代巷瓦斯精準抽采技術研究與工程實踐

王小朋

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

晉能集團現煤炭生產能力為7 720萬t/a，有65座生產礦井，其中有20座高瓦斯及突出礦井，主要分布于陽泉、長治、晉城等5個地區。礦井分布范圍廣，煤層賦存及地質條件復雜，瓦斯災害差異性較大。單一煤層及煤層群開采，煤層透氣性較差，導致各礦井瓦斯預抽效果均不理想，綜采工作面回采后采場瓦斯涌出量普遍在20～35 m3/min內。根據《煤礦安全規程》(2016)相關條款的規定，以及山西省“取消瓦排巷”政策的頒布實施，原來礦井采用瓦斯排放專巷治理采空區瓦斯技術不能再采用，工作面上隅角瓦斯治理問題成為了晉能集團大部分礦井高產高效的技術瓶頸。

目前，針對工作面開采后采場瓦斯涌出量達 20 m3/min 以上的上隅角瓦斯治理，國內主要采用以高抽巷和頂板高位鉆孔進行瓦斯抽采[1-4]。高抽巷以抽采鄰近層卸壓瓦斯為主、抽采開采煤層聚積在裂隙富集區瓦斯為輔，有較好的抽采效果；據統計，高抽巷抽采瓦斯量一般達20～40 m3/min，但施工層位需要具備一定條件，成本高、周期長、管理難度大，后期維護困難，并存在一定安全風險。頂板高位鉆孔主要用于抽采開采煤層斷裂帶富集區卸壓瓦斯及少量鄰近煤層瓦斯，鉆場抽采瓦斯量一般達 5 m3/min 左右，抽采鉆孔定位準確性差，有效鉆孔少，孔徑小，工程量較大，鉆場施工及管理難度大。為此，晉能集團與中煤科工集團重慶研究院有限公司合作開展了“集團公司高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯綜合治理技術研究”，旨在探索既經濟又適用的高瓦斯、突出礦井鄰近層及采空區瓦斯治理模式，確保礦井安全高效生產。

1 采動區以孔代巷瓦斯精準抽采技術原理

以孔代巷瓦斯精準抽采技術原理就是根據采場圍巖應力場及瓦斯流場情況，確定出采場周圍瓦斯卸壓富集區域，然后通過對鉆孔軌跡的精確控制，精準施工一定數量的抽采鉆孔，將鉆孔層位一直保持在“O”形圈內，并使鉆孔軌跡沿頂板斷裂帶有效延伸，從而實現對煤層瓦斯富集區內卸壓瓦斯的穩定高效抽采，確保高濃度、大流量、長時間的鉆孔瓦斯抽采效果[5-7]，最終達到以孔代巷的目的[8-10]。其技術原理如圖1所示。

圖1 以孔代巷瓦斯精準抽采技術原理示意圖

2 試驗工作面概況

馬堡煤業礦井為高瓦斯礦井，目前開采8#和15#煤層。15#煤層厚度4.6～5.6 m，平均厚度5.1 m；煤層傾角為2°～14°，結構比較簡單，與上部9#煤層平均間距為56.39 m。

15203綜采工作面隸屬于152采區，工作面長度為220 m，走向長度為1 113 m，采用綜合機械化采煤法，全部垮落法控制頂板。15#煤層直接頂為泥巖，平均厚度6.8 m；老頂為細粒砂巖，平均厚度 8.2 m。直接底為鋁質泥巖，平均厚度1.3 m；老底為砂質泥巖，平均厚度5.6 m。現場實測15203工作面原煤瓦斯含量為6.44 m3/t，工作面采用“U”型通風方式，配風量為1 458 m3/t。工作面開采后，采場瓦斯涌出量為22 m3/min左右；根據馬堡煤業生產實踐，15#煤層開采后，鄰近層瓦斯涌出量占全部瓦斯涌出量的28%左右，加上工作面底部遺煤涌出的瓦斯，成為采空區主要的瓦斯來源，易造成工作面上隅角和回風巷瓦斯超限。

3 采動卸壓瓦斯富集區范圍的確定

3.1 采動卸壓瓦斯富集區理論

根據相關學者對卸壓瓦斯富集區的研究，受采動影響后，上覆巖層將分為煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區，由下而上分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶[11-13]，如圖2所示。

A—煤壁支撐影響區(a～b)；B—離層區(b～c)；C—重新壓實區(c～d)；Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—斷裂帶；Ⅲ—彎曲帶。

綜采工作面回采后，在采空區四周存在大量導通的裂隙通道，即“O”形圈[14-15]。“O”形圈的存在為卸壓瓦斯存儲和流動提供了空間和通道，如圖3所示。

圖3 采空區“O”形圈示意圖

將抽采鉆孔布置在采動卸壓瓦斯富集的區域，能夠確保鉆孔長時間抽采瓦斯，使鉆孔達到最優的抽采效果。

3.2 采動卸壓瓦斯富集區范圍的確定

3.2.1 垮落帶、斷裂帶高度的確定

根據經驗公式計算綜采工作面垮落帶和斷裂帶的高度[16]，計算公式見表1。

表1 垮落帶及斷裂帶高度的統計計算公式

根據馬堡煤業地勘資料，15#煤層直接頂主要為泥巖、砂質泥巖，局部為粉砂巖、中細砂巖，依據巖石力學參數測定結果，泥巖的單軸抗壓強度平均為27.5 MPa[17-18]，因此按照中硬巖層計算15203綜采工作面垮落帶高度Hm：

Hm=100ΣM/(4.7ΣM+19)±2.2

(1)

將ΣM=5.1 m代入式(1)，計算得Hm=9.67～14.07 m。取最大值，即15203工作面垮落帶最大高度為14.07 m。

15203綜采工作面斷裂帶高度Hli：

Hli=100ΣM/(1.6ΣM+3.6)±5.6

(2)

將ΣM=5.1 m代入式(2)，計算得Hli=37.77～48.97 m。取最大值，即15203工作面斷裂帶高度為 48.97 m。

3.2.2 鉆孔終孔點與回風巷水平距離的確定

根據采動裂隙“O”形圈理論[19-20]，抽采鉆孔終孔點與回風巷的水平距離s的計算公式如下：

s=[H-(B+Hcotθ)tanα]sinα+(B+Hcotθ)/cosα

(3)

式中：s為抽采鉆孔終孔點與回風巷的水平距離，m；H為抽采鉆孔終孔點與煤層的垂直距離，m；B為抽采鉆孔與“O”形圈的外邊界距離，一般條件下B取 0～34 m；θ為“O”形圈外邊界與開采邊界的連線跟煤層的傾角，(°)；α為煤層傾角，(°)。

取H=49 m，B=34 m，θ=65°，α=14°，代入式(3)，計算得到走向長鉆孔終孔點與回風巷的最遠水平距離為67 m。設計水平控制范圍為67 m。

由上述計算可知，15203綜采工作面采動卸壓瓦斯富集區范圍為：距頂板垂距15～49 m，距回風巷 0～67 m。

4 以孔代巷瓦斯精準抽采試驗方案

4.1 抽采方案

結合15203綜采工作面實際情況，將鉆場布置在距回風巷口60 m處的采煤幫側，定向鉆場尺寸為長8.0 m、深4.5 m、高4.5 m，在每個鉆場內設計 5個鉆孔，鉆孔開孔間距0.6 m，目標鉆孔間距 8.0 m，開孔高度距頂板1.5 m，設計最大孔深400 m(走向長度)，鉆孔開孔直徑為94 mm，進行一次擴孔，終孔直徑153 mm。

馬堡煤業前期在8204、15108工作面回風巷布置頂板高位巖石鉆場，通過施工高位鄰近層鉆孔進行瓦斯抽采，在鉆孔施工過程中發現，距離頂板約 20 m 處有1層5.5 m厚的K2石灰巖，其硬度較高，鉆孔施工困難且不易垮落，在距離頂板斷裂帶高度 38 m、距離回風巷40 m以外的瓦斯抽采效果較差。因此，本次鉆孔布置在與頂板垂距15～38 m，距回風巷8～40 m的區域。

鉆孔平行于15203回風巷，1#、2#、3#、4#和5#鉆孔分別距離回風巷40、32、24、16、8 m，1#～5#鉆孔開孔高度距離頂板2 m，間距0.7 m，1#鉆孔終孔高度距頂板38 m，2#鉆孔終孔高度距頂板34 m，3#～5#鉆孔終孔高度距頂板15 m。鉆孔布置如圖4所示。

(a)平面圖

鉆孔施工實際軌跡圖如圖5所示。

(a)平面圖

4.2 瓦斯抽采效果分析

為了準確考察瓦斯抽采效果，在鉆場內布置 ?377 mm×4 mm螺旋焊接鋼管，在總管路及每個鉆孔安裝自動計量裝置和孔板流量計，對單個鉆孔進行計量考察。2019年6月28日開始進行抽采，在抽采負壓為15 kPa情況下，15203綜采工作面走向長鉆孔70 d內抽采瓦斯濃度(CH4體積分數，下同)及瓦斯純流量統計情況如圖6所示。

(a)瓦斯濃度隨時間變化曲線

由圖6可知，1#鉆孔布置在斷裂帶中，主要抽采上鄰近層瓦斯，抽采效果最好，最大單孔抽采瓦斯濃度可達80.0%，平均值為62.2%；最大單孔抽采瓦斯純流量達到9.85 m3/min，平均值為7.51 m3/min。2#～5#鉆孔實際竣工層位較低，在垮落帶和K2石灰巖之間，主要抽采采空區瓦斯，4#鉆孔抽采效果最好，最大單孔抽采瓦斯濃度可達78.0%，平均值為51.4%；最大單孔抽采瓦斯純流量達到10.41 m3/min，平均值為6.42 m3/min。有效治理了15203綜采工作面采空區和鄰近層涌出的瓦斯。

4.3 工程效率及經濟效益分析

4.3.1 工程效率分析

采用以孔代巷瓦斯抽采技術，可減少因開掘高抽巷(巖巷)而影響生產的時間，有利于采掘接替和工作面產量的提高。按照原高抽巷掘進進度，工作面走向長度為1 113 m，需要8個月時間。而頂板走向長鉆孔長度為400 m，可以與工作面進風巷、回風巷同時施工，僅需要3個半月時間，能大大緩解抽、掘、采銜接緊張問題。

4.3.2 經濟效益分析

15203綜采工作面共設計布置3個鉆場，鉆場長8.0 m、深4.5 m、高4.5 m，鉆場間水平距離400 m，每個鉆場施工費用4萬元。高抽巷與鉆孔施工費用情況對比見表2。

表2 高抽巷與鉆孔施工費用對比

由表2可知，采動區以孔代巷瓦斯精準抽采效果比高抽巷更優，施工時間縮短約2/3，工程成本節約3/4左右。因此，以孔代巷精準抽采瓦斯技術在保證抽采效果的同時可極大地降低施工成本。

5 結論

1)通過定向鉆機對頂板走向定向鉆孔軌跡的精確控制，根據實際工作面采場瓦斯涌出特征，施工了大直徑(?153 mm)鉆孔對瓦斯富集區進行精準抽采，抽采瓦斯純流量單孔最大達到10.41 m3/min，鉆場達到15.00 m3/min，初步實現了以孔代巷的瓦斯抽采效果，有效解決了馬堡煤業15203工作面“U”型通風條件下上隅角瓦斯治理難題，實現了安全高效開采。

2)試驗得出馬堡煤業15#煤層賦存條件下的采場瓦斯富集區范圍，并得出鄰近層瓦斯抽采在距煤層頂板38 m、距回風巷煤壁40 m處效果最佳；采空區瓦斯抽采在距煤層頂板15 m、距回風巷煤壁16 m處效果最佳。

3)針對馬堡煤業復雜頂板地層，通過采動區以孔代巷瓦斯精準抽采，抽采瓦斯濃度高、流量大，瓦斯抽采效果是普通抽采鉆孔的3～4倍。

4)基于馬堡煤業采場瓦斯涌出特點，試驗得出采動區以孔代巷瓦斯精準抽采效果比高抽巷更優，施工時間縮短約2/3，工程成本節約3/4左右，不僅有效緩解了礦井抽、掘、采銜接緊張的問題，而且實現了礦井瓦斯治理降本增效的目的。