綜采工作面高位鉆孔瓦斯抽采技術研究

石少華

（晉能控股集團 挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

0 引 言

隨著煤礦井下開采水平的不斷提高，開采深度也在逐步增加，從而導致出現低瓦斯礦井逐漸向高瓦斯礦井轉換的現象[1-2]。在煤炭開采過程中，受瓦斯抽采技術水平、抽采能力、煤層地質條件等因素制約，易出現因瓦斯治理不到位導致的瓦斯災害事故，給煤礦企業(yè)安全生產帶來嚴重威脅[3-4]。為解決上述問題，以挖金灣煤礦8107 工作面為工程背景，對高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯技術進行研究并在現場進行試驗應用。

1 工程概況

大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司核定生產能力為120 萬t/a，通過對當前開采階段礦井絕對瓦斯涌出量和相對瓦斯涌出量測定，結果分別為12.66 m3/min 和2.86 m3/t，煤塵具有爆炸危險性，煤層自然發(fā)火期為6 個月，屬于高瓦斯礦井。8107工作面回采4 號煤層，工作面平均走向長850 m，平均傾斜長151.5 m，煤層平均厚度為3.27 m，煤層結構簡單，煤層中含2 ～3 層厚度為0.05 ～0.50 m 的夾石。工作面采用綜采一次采全高回采工藝，工作面瓦斯絕對涌出量為2.6 m3/min。

2 高位鉆場布置位置選擇

高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯的原理[5-6]是在工作面布置施工高位鉆場，在鉆場內施工高位鉆孔安裝通風管路，利用通風管路將工作面采空區(qū)與工作面巷道相連，利用巷道與工作面采空區(qū)之間產生的大氣壓差將采空區(qū)內積聚的高濃度瓦斯排出，從而降低工作面瓦斯?jié)舛龋瑫r還能有效減少工作面風排瓦斯量，保證工作面安全生產。

高位鉆場位置的合理選擇對高位鉆孔排放采空區(qū)瓦斯效果起到很大的作用，通常情況下將高位鉆場設計布置在工作面進風巷或回風巷內。

2.1 進風巷布置高位鉆場

在進風巷道內布置鉆場時布置在巷道一幫，鉆場尺寸長×寬×高=4 m×4 m×3 m，鉆孔末端位于巷道頂板巖層發(fā)育的裂隙帶內。施工的鉆孔在巷道內呈扇形布置，一般在鉆場內布置4 個鉆孔。

在工作面進風巷道內布置鉆孔主要缺點是，鉆孔的使用壽命受工作面回采推進限制較大，隨著工作面回采長度的增加，鉆孔會逐漸被破壞，造成鉆孔抽采瓦斯的能力逐漸降低直至完全失效。當通過增加鉆孔傾斜角度來延長鉆孔使用壽命時，則會造成鉆孔長期處于工作面頂板巖層冒落帶區(qū)域范圍內，降低鉆孔抽采效率。

在鉆孔施工過程中，由于在進風巷布置有帶式輸送機等設備，施工空間較小，導致鉆孔施工角度小，施工難度增加，易造成出現鉆孔塌孔埋壓現象。同時在進風巷內需要安裝瓦斯抽放管路，減少巷道有效通風斷面，對工作面通風系統造成影響。

2.2 回風巷布置高位鉆場

在工作面回風巷道內的鉆場一般布置在巷道非回采幫，鉆場尺寸規(guī)格一般為長×寬×高=4 m×4 m×3 m，通過施工高位鉆孔將巷道與地面相連，鉆孔角度朝向工作面切眼方向，鉆場內一般設計布置5 ～8 個鉆孔。

因回風巷內未布置其他機電設備，鉆機運輸、施工空間大，便于鉆孔角度調整和施工，同時在回風巷安裝瓦斯抽放管路時對巷道整體通風斷面影響較小。綜上可知，在設計高位鉆場布置位置時應優(yōu)先選擇布置在回風巷內。

3 高位鉆孔設計

3.1 高位鉆孔仰角的確定

為確保高位鉆孔瓦斯抽采效果，應將鉆孔的終孔位置設計布置在工作面頂板巖層發(fā)育的裂隙帶內，如圖1 所示，其中網格部分為鉆孔終孔位置。由圖1 可知，高位鉆孔仰角角度與巖層裂隙帶、冒落帶和彎曲下沉帶的高度及頂板離層區(qū)域的實際寬度和卸壓角大小有關。

圖1 高位鉆孔終孔最佳位置區(qū)域Fig.1 The best location area of high-level borehole end hole

圖1中B 點在水平方向投影到裂隙帶網格區(qū)域范圍的距離可以用式（1） 計算。

式中：l'為工作面留設的煤柱寬度，取值45 m；h2為頂板巖層裂隙帶高度，取值47 m；m為工作面煤層厚度，取值4.2 m；?為卸壓角，取值80°。

將上述數據代入公式計算可得，OB'=54.03 m。

高位鉆孔的最大仰角γ 可用式（2） 計算。

將式（1） 中各參數數值代入到式（2） 中計算可得，γ=43°。

高位鉆孔的最小仰角β 可用式（3） 和式（4）計算。

式中：OC'為C 點在水平方向投影到網格區(qū)域的距離，m；h1為頂板巖層冒落帶高度，取值為17 m；d為頂板離層區(qū)域的寬度，通過相關研究得知，d取值為0.81 m；l為工作面頂板初次來壓垮落步距，取值30 m。

將以上數據代入式（3） 和式（4） 計算可得β=37°。

通過上述計算分析可知，在工作面回風巷布置鉆孔時一般設計5 ～8 處，此次8107 工作面鉆場設計布置5 個鉆孔，其中1 號鉆孔設計的仰角γ 為最大仰角43°，其他鉆孔仰角依次逐漸減小。

3.2 高位鉆孔方位角的確定

方位角的確定能夠確保高位鉆孔終孔位置處于頂板巖層離層區(qū)域范圍內，在鉆孔開孔施工前，可按照式（5） 計算各個鉆孔的方位角。

式中：OD'為D 點在水平方向投影到裂隙帶網格區(qū)域范圍的距離，通過計算OD' 可得=34.7 m；OA'為A 點在水平方向投影到裂隙帶網格區(qū)域范圍的距離，通過計算可得OA'=68.2 m；L為高位鉆孔深度，取值90 m；β 為鉆孔仰角角度，（°）；ω 為鉆孔方位角角度，（°）。

在進行8107 工作面鉆場施工時，鉆機選用ADR-250 型進行鉆孔施工，鉆孔直徑320 mm。在實際施工過程中，受鉆桿自重及現場施工條件影響，鉆孔角度會出現一定的偏移，因此，在計算鉆孔方位角時，對鉆孔仰角數值進行了適當的調整，1 ～5 號鉆孔方位角計算結果分別為182°、194°、206°、215°、223°，試驗鉆場內鉆孔布置如圖2 所示，具體施工參數見表1。

表1 試驗鉆場內高位鉆孔設計參數Table 1 Design parameters of high-levelborehole in test drilling field

圖2 試驗鉆場內高位鉆孔布置Fig.2 High-level borehole layout in test drilling field

4 高位鉆孔與高位抽放巷抽采瓦斯效果對比分析

在8107 工作面進行高位鉆孔與高位抽放巷抽采瓦斯效果對比試驗。在8107 工作面回風巷分別布置1 個試驗鉆場，在與鉆場相距100 m 位置沿工作面傾向方向施工8 條高位頂板抽放巷，施工時以沿煤層頂板以42°角度向上施工，高位抽放巷斷面寬×高=2.5 m×2.5 m。為確保采集的瓦斯抽采數據真實準確，每天安排專職瓦檢員分別對高位鉆場和高位頂板抽放巷內的瓦斯抽采數據進行采集，每天采集不少于4 次，并將采集結果進行記錄，取其平均值繪制如圖3 ～圖6 變化曲線。

圖3 高位鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線Fig.3 High-level borehole gas extraction concentration change curve

圖4 高位抽放巷瓦斯抽采濃度變化曲線Fig.4 High-level drainage roadway gas extraction concentration change curve

圖5 高位鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線圖Fig.5 High-level borehole gas extraction purity change curve

圖6 高位抽放巷瓦斯抽采純量變化曲線圖Fig.6 Gas drainage pure quantity change curve of high level drainage roadway

圖3和圖4 表示的是不同抽采區(qū)域內抽采瓦斯的濃度隨著8107 工作面推進變化情況。高位鉆孔抽采瓦斯的濃度最大值為78%，平均值約為45%；高位抽放巷抽采瓦斯?jié)舛鹊淖畲笾禐?3%，平均值約為31%，對比分析可知，高位鉆孔抽采瓦斯的濃度比高位巷高很多。隨著工作面向前不斷推進，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛戎饾u降低，說明高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯受工作面推進位置影響較大。高位頂板抽放巷抽采的瓦斯?jié)舛仍谂c工作面相距35 ～80 m 范圍內相對較為穩(wěn)定，當進入距離工作面采空區(qū)80 m 以后，瓦斯抽采濃度出現較大變化，由此表明高位抽放巷抽采瓦斯?jié)舛刃Ч芄ぷ髅婊夭捎绊戄^小。

圖5和圖6 曲線表示的是不同抽采區(qū)域內抽采瓦斯的純量隨著工作面推進變化情況。從圖5 分析可知，高位鉆孔抽采瓦斯純量在與工作面相距35 m 時開始大幅度增加，最高達到18 m3/min，隨著工作面繼續(xù)推進，瓦斯抽采純量逐漸降低，但基本處于12 ～16 m3/min，在與工作面相距35 m 到滯后工作面75 m 范圍內抽采純量一直保持較為穩(wěn)定狀態(tài)，在進入到工作面采空區(qū)75 m 以后，抽采效果開始大幅度降低，高位鉆孔有效抽采距離達到110 m。由圖6 分析可知，高位頂板抽放巷在滯后工作面45 m 時抽采純量開始逐步上升，最大達到10 m3/min，在滯后工作面45 ～85 m，抽采純量一直處于8 ～10 m3/min 左右，在滯后工作面85 m 以后抽采純量變化幅度較大，在138 m 以后開始大幅度降低。由上述分析可知，高位鉆孔抽采瓦斯純量不僅較高，且有效抽采時間和距離也較長。

5 結 語

以挖金灣煤礦為研究對象，提出高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯技術，對比分析高位鉆孔鉆場布置位置，確定高位鉆場布置在工作面回風巷，計算確定高位鉆孔的主要技術參數。在理論分析的基礎上進行現場試驗，通過現場對高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞窟M行測定記錄，并與高位頂板抽放巷抽采效果進行對比分析，結果表明，高位鉆孔抽采瓦斯技術雖然也受工作面回采距離影響，但在抽采瓦斯的濃度、抽采純量和有效抽采時間方面均比高位頂板抽放巷抽采瓦斯效果要好。表明該抽采技術能達到高瓦斯礦井抽采治理工作面瓦斯效果要求，為高瓦斯礦井治理工作面采空區(qū)瓦斯提供技術參考。