傾斜鉆孔與高位巷抽采裂隙帶的瓦斯效果試驗研究

姜小強，吳世躍

（1.華晉焦煤公司 沙曲礦，山西 離石033000；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024）

1 試驗的回采工作面概況

24207工作面采用傾向長壁后退式頂板全部垮落法的綜合機械化采煤方法和沿空留巷兩進一回的Y型通風方式。工作面布置有軌道巷、膠帶巷、回風巷，回風巷及膠帶巷間布置28個橫貫，工作面長240 m，回風巷長1514m，回風巷與膠帶巷煤柱寬45 m，沿空留巷設計充填墻寬4.0m，其中3m位于采空區(qū)內(nèi)，留巷寬3 m，保護頂板寬度52 m。開采煤層3+4號合并層，煤層厚3.6～4.7 m，均厚4.6 m。3+4號煤層向上距離2號煤層平均10.5 m左右，向下距離5號煤層平均5.6 m；其中2號煤層均厚1.04 m，5號煤層均厚3.3 m。工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果61.46m3/min。

2 上鄰近裂隙帶離層區(qū)的瓦斯抽采設計

為了分析傾斜高位巷和扇形鉆孔抽采效果，根據(jù)相鄰工作面經(jīng)驗、采場上覆巖層移動規(guī)律[1]、裂隙帶瓦斯涌出規(guī)律[2]，設計在回風巷交替布置傾斜高位巷8條、9個扇形鉆孔鉆場，距切眼15.6 m布置1號高位巷，其它高位巷和鉆場距切眼距離及相互間距，如表1所示。

表1 高位巷和鉆場的有關參數(shù)

在回風巷垂直工作面推進方向掘進斜巷高位巷，巷道傾角40°，長度60m，垂直高度50.31m。到達指定高度后，再沿煤層走向施工15 m，高位巷為半圓拱斷面，斷面2.4m×2.4m。巷道的水平投影總長度60.97 m，水平投影長度與保護頂板寬度之差8.97 m，該長度為鉆孔伸入采空區(qū)的長度，簡稱垂直伸入長度。垂直伸入長度越長，裂隙帶瓦斯抽采效果越好。

在回風巷施工寬4m，高3.9m（與巷道同高），深2.5 m的鉆場。每個鉆場內(nèi)，采用進口德國鉆機ADR-250施工5個扇形鉆孔。鉆孔開口靠近鉆場頂板，沿鉆場深度方向間距0.5m。5個鉆孔鉆進方向傾斜向上，指向工作面切眼方向，與回風巷軸向方位夾角依次為90°、77°、65°、56°和48°，與水平面傾角依次為：37°、36°、33°、30°和27°。鉆孔深90m，最大方位角鉆孔垂直高度54.14 m，水平投影長度71.89 m，垂直伸入長度19.89 m；最小方位角水平投影長度80.20 m，沿傾向水平投影長度53.7m，垂直伸入長度7.58m。

各抽采工程完工后、工作面正式回采前，開始預抽。

3 抽采效果的觀測結(jié)果及其分析

為了觀測抽采效果，每個或兩個鉆場、高位巷安裝1個流量計，回風巷裂隙帶抽采管路安設一個總的流量計。每日觀測流量計的讀數(shù)及回采工作面累計進尺。單個鉆場和單個高位巷瓦斯抽采量與累計進尺的關系，見圖1，裂隙帶總抽采量與累計進尺的關系，見圖2。

圖1 高位巷和德鉆場抽采量與工作面位置關系

1）圖1表明，1號高位巷抽采瓦斯量明顯低于其它鉆場和高位巷的抽采量，但同期回采工作面瓦斯涌出量卻很大，這表明在回采初期，采空區(qū)上覆巖層離層高度還沒有到達高位巷位置的高度，所以高位巷抽采不能有效截流裂隙帶瓦斯向工作面的涌出，導致工作面瓦斯涌出較大，抽采量較小。

2）根據(jù)圖1，當工作面回采到45 m，回采超過1號高位巷30 m左右，距1號鉆場69.36 m時，1號高位巷瓦斯流量明顯降低，而1號鉆場流量計幾乎檢測不到瓦斯流量值。這表明1號高位巷與2號鉆場間距過大，不能連續(xù)有效抽采到大流量的卸壓裂隙帶瓦斯，所以高位巷最大有效控制范圍30m。

3）根據(jù)圖1，當工作面回采到98.4 m，距1號鉆場31.56 m時，1號鉆場流量計開始檢測到瓦斯流量，并隨工作面向前推進，抽采量逐漸增加；回采經(jīng)過1號鉆場后，瓦斯流量達到最大、并相對保持穩(wěn)定一段距離?；夭傻?85 m左右時，即在1號鉆場與2號鉆場中間時，1號鉆場瓦斯流量開始下降，2號鉆場瓦斯流量正好達到最大值。這表明1號和2號鉆場間距較合理，是保證有效連續(xù)抽采卸壓裂隙帶瓦斯的有效間距，1個鉆場最大有效控制范圍50 m左右，與鉆孔沿傾向最大水平投影長度基本一致。

4）根據(jù)表1，2號鉆場、2號高位巷，3號鉆場平均間距不到33 m，接近1號高位巷和小于1號鉆場的有效排放半徑；所以根據(jù)圖1，工作面經(jīng)過鉆場或高位巷時，在較長時間和較大空間范圍內(nèi)，抽采卸壓裂隙帶瓦斯流量較大，卸壓裂隙帶瓦斯抽采效果較好。

5）根據(jù)圖1，除2號鉆場在工作面未回采到其下方時，抽采瓦斯流量即達到最大值外，其余都是在回采過后才達到最大值。即除2號鉆場超前鉆孔對靠近工面離層區(qū)瓦斯有預抽作用外，其它鉆場的鉆孔方向盡管指向工作面上方裂隙帶，但超前預抽作用效果都較小。這有兩方面的原因：一是工作面未回采到鉆場下方之前，靠近工作面的采空上方離層區(qū)的高度小于鉆孔控制高度、且相差較大，而使離層裂隙與鉆孔沒有完全溝通，所以不能有效截流靠近工作面采空區(qū)上方裂隙帶離層區(qū)瓦斯向工作面的涌出；二是鉆場內(nèi)方位角最小、傾向水平投影長度最大的鉆孔投影長度僅為鉆場間距的1/2左右，抽采有效控制范圍較小。根據(jù)文獻[3]裂隙帶瓦斯抽采設計方法計算，24207工作面回風巷鉆場內(nèi)扇形鉆孔合理的終孔高度應在23～31 m，鉆孔傾角應在11°～20°。當鉆孔長度相同時，終孔高度和傾角減小，不僅能使鉆孔較早與離層區(qū)裂隙溝通，而且能增大伸入離層區(qū)的鉆孔長度，從而增大抽采瓦斯控制范圍和增加抽采量。

圖2 高位巷和德鉆場總抽采量與累計進尺關系

6）根據(jù)圖2，在統(tǒng)計期內(nèi)，鉆場和高位巷總抽采量平均值為8.51m3/min。由于鉆場和高位巷有效抽采控制范圍不連續(xù)引起總抽采量隨累計進尺局部起伏變化?；夭沙跗谛秹悍秶。椴闪啃?。350～550 m范圍由于4號和5號鉆場間距大、高位巷有效抽采控制范圍小，所以抽采量小。對比圖1和圖2所有鉆場和高位巷的總抽采量與單個鉆場抽采量為同一個數(shù)量級，最大值都在16 m3/min左右范圍。這表明高位巷和鉆場主要抽采靠近工作面卸壓離層區(qū)瓦斯，即同時起主要抽采作用的鉆場或高位巷一般只有一個?？傮w而言，鉆場扇形布孔抽采效果好于高位巷，所以接替工作面可用鉆場鉆孔代替高位巷抽采裂隙帶瓦斯。

4 結(jié)論和建議

1）采用鉆場扇形傾斜鉆孔抽采裂隙帶瓦斯的效果好于傾斜高位巷，而且施工容易、投資少，所以建議采用鉆場扇形傾斜鉆孔代替傾斜高位巷抽采工作面裂隙帶瓦斯。2）實際觀測表明，現(xiàn)有工藝傾斜高位巷最大有效控制范圍30 m，鉆場最大有效控制范圍50 m。因此，現(xiàn)有抽采工藝傾斜高位巷有效間距為30 m，鉆場有效間距50 m。3）為了進一步提高鉆孔的利用率和瓦斯抽采量，建議鉆場間距取88 m，鉆場內(nèi)5個扇形鉆孔合理的終孔高度依次應在23～31 m之間，鉆孔傾角依次應在11°～20°。在工作面回采初期，由于頂板巖層裂隙高度位置較低，所以回采初期120 m范圍內(nèi)鉆孔終孔高度和鉆孔傾角還應適當降低。

[1]袁亮，郭華，沈?qū)毺?等.低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[J].煤炭學報，2011，36（3）：357-365.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992.

[3]Zhang meihong，Wushiyue.Research and application of drainage parameters for gas accumulation zone in overlying strata of goaf area[J].Safety Science,2012,50(4):778-782.