綜采面頂板裂隙帶鉆孔瓦斯抽采治理方案研究

馬騰輝

（山西潞安集團高河能源有限公司，山西 長治 047100）

高河能源是潞安集團下屬的煤礦之一，該礦井下綜采面煤層平均厚度約為5.12 m，在煤層上部含有2 層夾石，煤層平均傾角約為12.1°。巷道頂板為泥巖，平均厚度為2.86 m，巷道底板為細沙巖結構，平均厚度約為1.11 m。整個綜采面包括一個正巷和一個副巷，基本走向長度為1147 m，綜采工作面的長度為239 m，采用了全部垮落的機械化采煤工藝，采高約為3.6 m。井下通風系統采用了U 型截割，綜采面配風為1314 m3/min。該煤礦屬于高瓦斯礦井且井下綜采面頂板處含有大量的裂隙帶，瓦斯涌出量約為32 m3/min，在掘進作業過程中極易出現瓦斯突出，給煤礦井下的綜采作業安全帶來了嚴重的隱患。因此本文結合高河能源煤礦井下的實際地質情況，提出了綜采面頂板裂隙帶鉆孔瓦斯抽采治理方案，以高位鉆孔抽采及主動頂板裂隙鉆孔抽采為核心，有效地降低了煤礦井下瓦斯突出的概率，極大地提升了煤礦井下綜采作業的安全性。

1 采動裂隙帶瓦斯抽采方案

采動裂隙帶瓦斯抽采方案主要包括了高抽巷抽采技術方案和高位鉆孔抽采瓦斯方案[1]，各技術方案的特點和應用情況匯總如下。

綜采面頂板走向高抽巷抽采技術方案主要是指沿著綜采面頂板裂隙帶設置一個抽采巷道，實現對裂隙帶位置瓦斯的抽采。該技術方案的抽采效果主要取決于巷道的布置層位、抽采負壓、綜采面超過瓦斯抽采巷道端部的長度等。通常情況下為了獲取最優的抽采效果，抽采巷道布置時一般設置到裂隙帶和巷道頂板6 倍采高距離的位置，抽采負壓設置為18～19 kPa。高河能源井下裂隙帶和巷道頂板距離約為采高的1 倍而且抽采負壓較小，因此無法滿足高抽巷抽采的基本需求。走向高抽巷抽采方案如圖1 所示。

高位鉆孔抽采技術指在鉆場或者采空區域頂板上采用非定向鉆機進行斜向鉆進抽采，該抽采方案工藝流程簡單，施工周期短，抽采效果好，比較適合高河能源井下實際情況。為了提高鉆孔抽采頂板裂隙帶瓦斯的效果，技改小組在經過實際驗證后提出了利用留巷鉆孔來替代專門的抽采瓦斯孔，利用留巷鉆孔接近于頂板裂隙帶的特點既減少了鉆孔時的工作量而且還能夠實現綜采面綜采和瓦斯抽采的同步進行。

圖1 煤礦井下貫通測量路徑示意圖

該抽采技術方案的核心在于抽采時留巷鉆孔布置數量、鉆孔長度和鉆孔的直徑等，結合高河能源井下瓦斯涌出量大的情況，在采用高位鉆孔抽采技術方案時，鉆孔采用了三花眼的布置結構，在每個鉆場內設置8 個左右的鉆孔，每個鉆孔的直徑應為70 mm，孔深為90 m。鉆孔要與裂隙帶呈現約55°的傾角，滿足不同層間裂隙帶瓦斯的抽采需求。該抽采技術方案如圖2 所示[2]。

圖2 高位鉆孔抽采技術方案結構示意圖

2 主動裂隙鉆孔抽采

根據潞安集團高河能源煤礦井下綜采面的實際地質情況，在高位鉆孔抽采的基礎上再增加主動裂隙鉆孔抽采。鉆孔的鉆孔直徑設置為75 mm，每個鉆場內設置9 個鉆孔，每個鉆孔的長度為95 m，各個鉆場之間的距離設置為60 m，與巷道頂板的傾角設置為45°。

瓦斯抽采主管的直徑設置為350 mm，沿著井下綜采面的回風巷布置，管路的總長度約為5500 mm。瓦斯抽采管路根據布置區域的不同，分別采用了焊接鋼管和抗腐蝕的無縫鋼管，風巷預埋管采用焊接鋼管，其他位置的管道均采用具有抗腐蝕性能的無縫鋼管。管道內的最大混合瓦斯流量可表示為[3]：

式中：

D-瓦斯抽采管道內徑，mm；

Q-管道內的最大瓦斯流量，m3/min；

V-瓦斯在管內的平均流速，取13.5 m/s。

經過計算該抽采主管道的最大抽采能量約為77.9 m3/min，按瓦斯抽采濃度為60%計算，其能夠滿足的瓦斯最大抽采量為46.7 m3/min，大于瓦斯最大涌出量32 m3/min，因此所選擇的管道滿足井下瓦斯抽采需求。

3 瓦斯鉆孔封孔

為了確保鉆孔處的封孔效果，采用了機械封孔工藝[4]，采用的封孔設備型號為KF-B 型封孔泵。系統內共設置了4 套系統，3 套為正常使用，1 套為備用設備，滿足特殊情況下的封孔需求。封孔位置的管路采用了PVC 管路，在抽采管內設置15 個直徑為10 mm 的內控，采用雙層金屬網線捆扎，封孔的長度不小于7 m，封孔后外側采用硅酸鹽水泥進行二次密封，當封孔的位置處在巖層內時，封孔的長度應不小于5 m。

其封孔的工藝流程可表示為，當鉆孔快要完成時，同步準備封孔用的水泥砂漿，水泥砂漿需要按比例加入膨脹劑，確保在封堵后的凝固過程中不會出現開裂。水泥砂漿內膨脹劑的比例需要根據鉆孔的傾角來確定，傾角越小膨脹劑的比例需要越大，同時其封孔的長度就要越大。瓦斯鉆孔封孔的鏈接結構如圖3 所示[5]。

圖3 高位鉆孔抽采技術方案結構示意圖

為了確保瓦斯抽采過程中的穩定性，在抽采管路系統的下側設置了2 組放水器，能夠將管路抽采過程中產生的積水及時排出，避免積水過多時產生的“喘振”。該抽采系統管路布置結構如圖4 所示。

在抽采過程中，放水器應該設置到抽采管道的最低點，在管路積水位置設置一個放水口，根據所用的放水器結構，需要保證抽采管道和巷道底板的距離不低于400 mm。放水器的進水管應采用不銹鋼管道，系統內的負壓平衡管應能夠承受一定的負壓且直徑不低于20 mm，避免出現管路堵塞。系統設置完成后將抽采管路和負壓平衡接口連通即可實現自動抽采、排水。

圖4 抽采系統管路布置結構示意圖

自該煤礦井下綜采面頂板裂隙帶鉆孔瓦斯抽采治理方案投入使用后，井下綜采范圍內頂板裂隙內的瓦斯涌出量迅速下降，由最初的32 m3/min 降低到了目前的3.96 m3/min，降幅達到了87.6%，顯著地提升了高河能源井下綜采作業的安全性。

4 結論

針對潞安集團高河能源煤礦井下綜采面頂板處含有大量的裂隙帶，在綜采作業過程中極易出現瓦斯突出的現狀，提出了高位鉆孔抽采技術方案，對該方案下的管路選擇、管路封孔技術要點等進行了分析，根據實際應用表明：

（1）高位鉆孔抽采技術方案，是指在鉆場或者采空區域頂板上采用非定向鉆機進行斜向鉆進抽采，該方案工藝流程簡單，施工周期短，抽采效果好；

（2）主動裂隙鉆孔抽采時鉆孔的直徑設置為75 mm，每個鉆場內設置9 個鉆孔，每個鉆孔的長度為95 m，各個鉆場之間的距離設置為60 m，與巷道頂板的傾角設置為45°，滿足井下瓦斯抽采需求；

（3）該方案應用以來，井下瓦斯涌出量由最初的32 m3/min 降低到了目前的3.96 m3/min，降幅達到了87.6%，顯著提升了高河能源井下綜采作業的安全性。