綜采面采空區瓦斯治理技術的研究與應用

史亮亮

（晉能控股集團晉圣公司三溝鑫都煤業，山西 晉城 048006）

綜采工作面由于機械化程度高，在采動擾動誘發下，在較短的時間內大量煤炭被破碎，煤炭在極短的生產時間內被采出，周邊的地層被卸壓后，產生向采掘空間移動的變形，在地質演化階段長期形成的動態應力平衡被打破，破碎煤層和圍巖中釋放的大量瓦斯會在短時間向采掘空間逸散，在工作面通風的作用下逐步向上隅角旋渦區積聚，這是造成綜采面上隅角極易出現瓦斯超限現象的主要原因[1-2]。為解決此類問題，普遍采用采空區埋管方法來解決，但采空區埋管影響區域有限，抽采效果較差，給礦井安全生產帶來巨大隱患[3]。頂板高位鉆孔是解決綜采面采空區瓦斯的有效手段，但如何提高采空區封閉區和頂板裂隙帶瓦斯是采空區瓦斯治理的關鍵[4-5]。

頂板高位鉆孔是解決綜采面生產期間瓦斯大量涌出的主要方法之一，趙建國[6]等分析了頂板高位定向鉆孔的技術優勢，針對現有施工的技術問題，對施工提出了改進建議。郝光生[7]、李勝[8]、趙會波[9]等對頂板高位鉆孔的層位進行了分析，確定了在合理的垂直層位和水平層位條件下，能達到最理想的抽采效果。程志恒[10]等對頂板高位鉆孔的高效抽采機理進行了研究，揭示了采空區頂板高位走向長鉆孔高效抽采瓦斯作用機制。王雪瑞[11]等通過分析鉆孔布置方式對應的抽采瓦斯濃度變化，提出了高位鉆孔布置參數優化方案。向真才[12]針對工作面瓦斯大量涌出實際，提出了采空區頂板高位鉆孔抽采參數的設計及優化。但在諸多研究中，針對頂板高位鉆孔在工作面采中和采后的抽采效果研究相對較少。為此開展了相關研究，以期為該技術的推廣應用提供參考依據。

1 裂隙帶瓦斯富集規律

由于開采擾動的破壞作用，大量吸附態甲烷氣以“解吸—擴散—滲流”的形式轉化為游離態甲烷氣體。大量溶解態甲烷在大氣重力作用下“升浮”到綜采工作面頂板，由于煤層開挖所形成的空洞造成上覆巖層重力擠壓偽頂、直接頂，偽頂垮落、掉落至采空區，直接頂形成向下垮落的橫向和縱向裂隙，直接頂板大量裂縫發育并進入采空區。工作面煤體在采動影響下會造成煤體破碎，圍巖和鄰近煤層因應力釋放形成裂隙空間，大量處于原始應力狀態下的瓦斯氣體向采掘空間運移，進而向上方的裂隙空間積聚。

形成的裂隙帶存在橫向和縱向兩種形態的裂隙結構，縱向裂隙是游離態甲烷向上部運移的通道。橫向裂隙是彎曲帶的下部邊界，上部的巖層逐步趨于穩定。游離態甲烷氣體運移至橫向裂隙時，由于縱向裂隙尚未發育，導致無法進一步向上部巖層移動，形成了以裂隙帶為瓦斯富集的集中區域。頂板裂隙帶鉆孔布置示意圖如圖1 所示。

圖1 綜采面裂隙瓦斯富集區示意圖

2 頂板高位鉆孔抽采

2.1 頂板高位鉆孔設計

頂板高位鉆孔一般在工作面圈定后及工作面回采前1 個月左右施工完畢，應主要考慮生產的銜接情況及鉆孔能有效發揮最大的抽采效益。采用VLD-1000型定向千米鉆機，施工的鉆孔長度達到150～250 m，鉆場間距400 m。以成莊礦4318 綜采面為例，其工作面的傾向長度為1 200 m，在工作面回風巷內設置了3 個鉆場，每個鉆場施工4 個頂板高位鉆孔，鉆孔傾角為3°，緩慢向上鉆進，施工至頂板上方50 m左右后沿工作面推進方向水平鉆進。頂板的層位參考郝光生[7]等的研究結論。成莊礦4318 工作面的頂板高位鉆孔布置圖如圖2 所示。

圖2 4318 工作面采空區高位鉆孔施工示意圖

2.2 頂板高位鉆孔抽采效果考察

為考察定向高位鉆孔的抽采效果，對不同鉆孔推過前后瓦斯濃度（瓦斯體積分數，全文相同）和流量變化情況進行測定，本文取比較典型的2 個鉆孔的變化曲線，以說明高位鉆孔的抽放效果。4318 工作面1 號鉆孔濃度、純量變化曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，工作面在推進22 m 后，頂板垮塌形成裂隙，開始有流量，瓦斯初始濃度達到60%左右，隨著工作面向前推進，瓦斯混量增加到7m3/min，濃度保持在50%左右，抽采的純瓦斯量達到3.5 m3/min，且可保持工作面安全推進180 m 以上。實踐證明，頂板高位鉆孔可作為傾向鉆孔抽采空區瓦斯。

4318 工作面2 號鉆孔濃度、純量變化曲線如圖4 所示。

圖4 4318 工作面2 號鉆孔濃度、純量變化曲線

從圖4 可以看出，工作面在推進42 m 后，高位鉆孔開始有流量，濃度達到60%左右，隨著工作面逐步推進，流量增加到6 m3/min，且濃度保持在50%左右，可抽3 m3/min 瓦斯，且能保持160 m 的推進度，后期頂板垮落穩定，瓦斯抽采純量保持在1 m3/min左右。

318 工作面噸煤瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量關系如圖5 所示。

圖5 4318 工作面噸煤瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量關系

從圖5 可以看出，高位鉆孔抽采時，工作面噸煤瓦斯涌出量逐步下降，鉆孔抽采量與工作面涌出量呈現一定的反相關關系，由最初的3.5 m3/min 降低至2 m3/min，下降幅度達到42%。

通過對4318 綜采面高位鉆孔的抽采效果來看，工作面噸煤瓦斯涌出量與鉆孔抽采量隨工作面的推進進度呈現較明顯的規律性變化趨勢。總體來看，高位鉆孔的初始抽采階段，抽采量較低，工作面的噸煤瓦斯涌出量較高，說明工作面煤體和周邊圍巖裂隙涌出的大量瓦斯釋放至采掘空間，主要由通風排出。在工作面回采推進至200 m 后，高位鉆孔抽采量迅速增大，大量瓦斯由頂板高位鉆孔抽出，直接使得工作面采掘空間內釋放的瓦斯量降低。

2.3 回采結束后采空區高位鉆孔抽放

在老采空區內，由于遺留落煤及周邊圍巖和鄰近煤層因應力釋放等原因，在封閉的采空區內會積存大量瓦斯，會給鄰近正在回采的工作面或掘進工作面生產帶來巨大安全隱患。以成莊礦4318 工作面為例，其鄰近的4319 工作面生產時，因圍巖擠壓導致巷道變形，其老采空區的瓦斯會在卸流通道及壓力差的作用下，向鄰近的4319 工作面大量泄漏瓦斯。為此，在4318 老采空區過停產線40 m 處施工頂板高位鉆孔，鉆孔施工至頂板上方60 m 后進行定向抽采。鉆孔布置如圖6 所示，438 老采空區2 號鉆孔濃度、純量變化曲線如下頁圖7 所示。

圖6 4318 工作面老采空區高位鉆孔施工示意圖

圖7 438 老采空區2 號鉆孔濃度、純量變化曲線

從圖7 可知，4318 老采空區施工的頂板定向高位鉆孔抽采效果明顯，在開始抽采階段，抽采管內的瓦斯濃度達到80%以上，說明老采空區積存了大量瓦斯氣體。經過近19 d 的抽采，管路內瓦斯濃度持續降低至25%左右，說明在抽采負壓的持續作用下，老采空區的瓦斯逐步被排出。由此可以判斷，老采空區遺落的煤炭在持續不斷地向采空區釋放瓦斯。

在4319 工作面實際生產過程中，通風風量保持在2 300 m3/min，由于鄰近工作面老采空區瓦斯被抽出，上隅角瓦斯濃度穩定在0.35%以下，生產的160 d 時間內均保持在0.5%以下，有效保障了工作面的安全高效生產。

3 結語

采空區和老采空區是工作面瓦斯治理的重要區域之一，治理措施不到位極易造成向采掘空間運移或向鄰近工作面泄漏瓦斯，造成難以控制的重大安全風險。

以成莊礦4318 綜采面為例，高位鉆孔抽采的瓦斯濃度基本可穩定在50%以上，且能有效保障工作面安全回采進度達到180 m 以上，驗證了走向頂板孔抽采的優勢。對老采空區的定向抽采實踐表明，經過19 d 的不間斷抽采，老采空區瓦斯濃度由80%降低至25%，有效保障了鄰近工作面的安全生產。隨著采空區高位鉆孔抽采效果的提升，采空區瓦斯得到有效治理，長距離橫川通風可以滿足生產要求，所以可減少橫川施工數量，有利于成莊礦的采掘銜接。