采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術研究與工程實踐

陶云奇，張劍釗，郭明功，于 紅，潘仁杰

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191；3.平頂山天安煤業股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467000；4.永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600)

目前，我國煤炭開采已進入深部開采階段，加之煤炭開采機械化程度日漸趨于智能化，煤層瓦斯含量、煤層瓦斯壓力，以及礦井生產強度顯著增高，極易造成工作面上隅角和回風流瓦斯超限。深部高瓦斯工作面的采空區及上隅角瓦斯治理已成為諸多煤礦當下亟需解決的難題之一[1-3]。

針對上述問題，國內諸多煤礦常采用埋管、頂板高位定向鉆孔、高位斜交鉆孔和高位巖石抽采巷等瓦斯抽采技術手段進行采空區及上隅角瓦斯治理[4-6]。許太山[7]采用采空區埋管方法使趙莊煤礦1263工作面上隅角瓦斯濃度始終低于1%；李彥明[8]基于頂板高位鉆孔進行上隅角瓦斯治理研究，發現高位定向鉆孔瓦斯抽采濃度是常規鉆孔的2倍，抽采瓦斯純量升高至原來的1.6倍以上；于志金等[9]針對大隆煤礦采空區瓦斯賦存情況，提出了回風巷迎向斜交鉆孔采空區瓦斯治理方案，開辟了新的采空區瓦斯治理途徑；李曉華等[10]采用高位巖石抽采巷治理采空區中上部區域采動卸壓瓦斯并在其中布置穿層鉆孔施工鉆場用以掩護巷道掘進，成功實現一巷兩用。此外，林海飛[11]、童碧[12]、郝世俊[13]、閆保永[14]、石浩[15]等學者采用高位定向長鉆孔代替高位抽采巷對采空區及上隅角瓦斯進行治理，研究結果表明，以高位定向長鉆孔代替高位巖石抽采巷(以孔代巷)既能大幅減少巖石抽采巷工程施工量，有效緩解礦井采掘接替緊張局面，又能降低礦井瓦斯治理成本，減輕礦井因排矸引起的井下運輸壓力和地面堆矸引起的環境污染問題。目前，以孔代巷技術已成為國內眾多煤礦進行采空區及上隅角瓦斯治理的首選技術[16-17]。

筆者以平煤股份八礦工作面上隅角及回風流瓦斯為研究對象，運用以孔代巷技術抽采工作面采空區及裂隙帶采動卸壓瓦斯，解決深部煤層工作面上隅角及回風流瓦斯超限問題，以期為平煤股份八礦工作面采空區及上隅角瓦斯治理開辟一條新途徑。

1 采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術分析

1.1 技術原理

采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術指的是采用定向鉆機施工定向長鉆孔代替工作面頂(底)板高(低)位巖石抽采巷抽采采動卸壓瓦斯，防止或減少卸壓瓦斯向工作面采空區和回風流中運移[18]。

以頂板高位定向長鉆孔代替高位抽采巷為例，隨著采煤工作面持續回采，工作面頂板巖層發生不同程度的變形或垮落，產生的大量離層裂隙和縱向貫通裂隙為采空區及裂隙帶采動卸壓瓦斯提供了儲運空間；依據“O”形圈理論、“豎三帶”高度劃分對高位定向長鉆孔進行鉆孔布置層位優選，最終實現工作面采空區及裂隙帶采動卸壓瓦斯高效抽采的目的，避免了工作面上隅角或回風流瓦斯超限[19-20]。高位巖石抽采巷與以孔代巷技術抽采采動卸壓瓦斯原理如圖1所示。

(a)高位巖石抽采巷抽采采動卸壓瓦斯

1.2 技術優勢

1)安全方面：以孔代巷技術利用定向長鉆孔代替高位巖石抽采巷抽采工作面采動卸壓瓦斯，避免了高位巖石抽采巷遇斷層誤揭突出煤層而導致的安全事故發生，安全優勢明顯。

2)資金方面：以孔代巷技術通過定向長鉆孔代替或減少高位巖石抽采巷工程量，瓦斯治理成本顯著降低，資金優勢顯著。

3)時間方面：定向鉆孔鉆進效率明顯高于巖石巷道掘進效率，且可超前施工，瓦斯治理周期大幅度縮短。

4)環保方面：以孔代巷技術可有效避免因施工巖石巷道在地面堆矸引起的環境污染，環保優勢顯而易見。

5)管理方面：相對于高位巖石抽采巷掘進施工涉及到掘進、運輸及后期巷道維護等復雜管理問題，以孔代巷技術只需保證定向鉆孔的高質量施工即可，管理成本顯著降低。

2 采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術鉆孔布置及參數優選

不同煤礦不同煤層上覆巖層巖石性質差異導致頂板垮落速度和“豎三帶”高度范圍均存在差異。因此，需要對工作面上覆巖層巖性及裂隙帶高度范圍進行綜合分析，優化工作面頂板高位定向長鉆孔布置參數，以保證采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術的應用效果[21]。

2.1 工作面概況

平煤股份八礦己15-15050工作面位于一水平己五采區東翼，西起采區上山，東至許南高速公路保護煤柱，南鄰己15-15030回采工作面(回采期間上隅角及回風流瓦斯濃度偏高)，北部為實體煤。工作面共布置2條低位巷(機巷低位巷、中間低位巷)、3條煤巷(風巷、機巷、開切眼)。

該工作面采用綜采一次采全高采煤工藝，走向長壁采煤法，以及“U”形通風方式，受采動卸壓瓦斯及采空區涌出瓦斯影響，工作面上隅角及回風流瓦斯管理難度大。

2.2 采動卸壓瓦斯富集區確定

1)頂板垮落帶與裂隙帶高度確定

己15-15050工作面煤層平均厚度為3.3 m，煤層平均傾角為15°，直接頂巖石單軸抗壓強度為20～40 MPa。工作面頂板垮落帶和裂隙帶高度采用經驗公式計算[22]：

(1)

(2)

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hli為裂隙帶高度，m；∑M為煤層累計采厚，m。

將相關參數代入式(1)、式(2)計算可得：

因此，由裂隙帶高度范圍界定方法計算的結果取最大值，可得：垮落帶高度為11.76 m，裂隙帶高度為42.76 m。

2)定向長鉆孔位置與回風巷水平距離確定

定向長鉆孔與回風巷水平距離s的計算公式如下[23]：

s=[H-(B+Hcotθ)tanα]+sinα(B+Hcotθ)/

cosα

(3)

式中：s為定向長鉆孔與回風巷水平距離，m；H為定向長鉆孔終孔與煤層的垂距，m；B為定向長鉆孔與“O”形圈的外邊界距離，m；θ為“O”形圈外邊界和回采邊界連線與煤層的傾角，(°)；α為煤層傾角，(°)。

基于經驗公式計算得出的垮落帶及裂隙帶發育高度和錢鳴高院士[24]提出的“O”形圈理論，計算參數取值H=43 m，B=31 m，θ=68°，α=15°，將其代入式(3)，計算得到定向長鉆孔位置與回風巷的最遠水平距離為60 m。

綜合上述計算結果可知，抽采鉆孔應布置在與己15-15050工作面回風巷水平距離0～60 m、與煤層頂板垂直距離11.76～42.76 m的區域。

2.3 頂板高位定向長鉆孔布置及參數確定

結合己15-15050工作面頂板垮落帶與裂隙帶高度確定結果，以及平煤股份八礦地質條件，將部分鉆孔設計在0～60 m外，保證采動卸壓瓦斯富集區能被全覆蓋。在己15-15050工作面距開切眼向外沿走向520 m處布置1#鉆場，共設計6個高位定向長鉆孔。

1)平面投影：1#鉆孔距離回風巷下幫輪廓線15 m，1#～6#鉆孔之間的間距均為10 m。1#鉆場高位定向長鉆孔平面投影示意圖如圖2所示。

圖2 1#鉆場高位定向長鉆孔平面投影示意圖

2)垂直投影：1#和2#鉆孔之間垂直間距為5 m，2#～5#鉆孔之間垂直間距均為4 m，5#和6#鉆孔之間垂直間距為5 m。1#鉆場高位定向長鉆孔局部垂直投影示意圖如圖3所示。

圖3 1#鉆場高位定向長鉆孔局部垂直投影示意圖

3 采動卸壓瓦斯抽采技術現場工程試驗

3.1 頂板高位定向長鉆孔施工情況

2021年6月9日至7月29日期間，采用ZYL-15000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機成功施工6個高位定向長鉆孔，鉆孔總工程量為3 108 m，孔內下入?73 mm鋼質篩管，鉆孔下篩管比例接近90%。因工作面頂板巖層比較破碎，在定向鉆孔施工過程中塌孔、縮孔現象較為嚴重，鉆孔成孔率較低，最終鉆孔主孔層位被迫選擇施工在距煤層頂板垂距20～30 m穩定巖層內。1#～6#鉆孔實鉆軌跡平面圖如圖4所示，1#～6#鉆孔終孔位置示意圖如圖5所示，鉆孔實鉆參數如表1所示。

圖4 1#～6#鉆孔實鉆軌跡平面圖

圖5 1#～6#鉆孔終孔位置示意圖

表1 頂板高位定向長鉆孔實鉆參數

3.2 瓦斯抽采效果分析

自2021年8月6日至2021年11月17日期間，持續對己15-15050工作面1#鉆場高位定向長鉆孔接抽，1#～6#高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度(甲烷體積分數，下同)對比分析如圖6所示，工作面上隅角及回風流抽采瓦斯濃度統計情況如圖7、圖8所示。

圖6 1#～6#高位定向長鉆孔抽采瓦斯濃度對比分析圖

圖7 工作面上隅角瓦斯濃度與工作面日推進距離變化曲線

圖8 工作面回風流瓦斯濃度與工作面日推進距離變化曲線

1)由圖6可以看出，1#、4#、5#鉆孔抽采瓦斯濃度相對較高，鉆孔層位距煤層頂板均在25 m以上；2#鉆孔抽采瓦斯濃度相對偏低，鉆孔層位距煤層頂板約20 m。表明己15-15050工作面頂板裂隙帶高濃度瓦斯區在煤層頂板25 m以上。

2)由圖6可以看出，3#鉆孔在下篩管過程中因?73 mm篩管受到的阻力較大，篩管絲扣斷裂未下至孔底(鉆孔長度525 m,下篩管327 m)。在瓦斯抽采初期，此鉆孔抽采瓦斯濃度一直保持在較低水平；當工作面安全回采至已下篩管區域時，3#鉆孔抽采瓦斯濃度上升到較高水平，單孔最大抽采瓦斯濃度高達9.1%。分析表明，未下篩管部分鉆孔塌孔堵塞瓦斯抽采通道，導致抽采瓦斯濃度偏低。

3)由圖7、圖8可以明顯看出，上隅角與回風流瓦斯濃度與日推進距離呈正相關關系。

4)從圖6～8可以看出，在整個瓦斯抽采周期內，己15-15050工作面未發生過上隅角或回風流瓦斯濃度超限情況，上隅角及回風流瓦斯濃度均保持在0.6%以下且呈下降趨勢；此外，8月28日至9月1日、11月8日至11月17日2個瓦斯抽采時間段內，所有鉆孔抽采瓦斯濃度明顯下降，上隅角及回風流瓦斯濃度與之呈正相關變化且均保持在0.4%以下。分析表明，己15-15050工作面已回采區域內絕對瓦斯涌出量較小。

3.3 經濟效益分析

在己15-15050工作面里段520 m走向范圍，利用6個頂板高位長鉆孔成功代替了高位巖石抽采巷，解決了上隅角和回風流瓦斯超限治理問題。以孔代巷和高位巖石抽采巷瓦斯抽采技術經濟效益對比分析如表2所示。

表2 經濟效益對比分析

由表2可知，采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術相比高位巖石抽采巷技術，治理費用可節約67.9%，施工工期可節省2/3。可見，采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術在保證安全生產的同時可顯著節約瓦斯治理成本和縮短瓦斯治理周期。

4 結論

1)采用定向鉆機施工高位定向長鉆孔代替高位巖石抽采巷抽采采空區和裂隙帶瓦斯，使平煤股份八礦己15-15050工作面上隅角及回風流瓦斯濃度均保持在0.4%～0.6%，且在后期呈下降趨勢，以孔代巷技術解決了工作面上隅角及回風流瓦斯治理的難題。

2)試驗得出己15-15050工作面頂板裂隙帶高濃度瓦斯區距煤層頂板25 m以上，定向鉆孔下篩管可避免鉆孔塌孔堵塞瓦斯抽采通道而提高瓦斯抽采效果。

3)與高位巖石抽采巷技術相比，采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術可節約瓦斯治理成本67.9%，節省2/3治理工期，有效緩解礦井采掘抽接替緊張局面，實現礦井降本增效的目標。

4)從安全、成本、時間、環保、管理5個方面闡明了采動卸壓瓦斯抽采以孔代巷技術的優勢，以孔代巷技術推廣應用前景廣闊。