特厚煤層綜放面的頂抽巷大直徑導(dǎo)通鉆孔技術(shù)研究

孫 亮 孫珍平

(1.同煤國電同忻煤礦有限公司，山西省大同市，037000；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧省撫順市，113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122)

綜采放頂煤開采技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)開采技術(shù)，該技術(shù)具有高產(chǎn)、高效、低耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為煤炭開采技術(shù)的主導(dǎo)方向之一[1-4]。瓦斯事故一直是制約礦井安全生產(chǎn)的一大瓶頸，尤其對于特厚煤層的綜放工作面來說更為突出[5-8]。因此如何防止特厚煤層工作面開采初期瓦斯事故，是煤礦安全生產(chǎn)研究的永恒課題。國內(nèi)眾多學(xué)者針對此類問題進(jìn)行了大量研究，并取得豐碩成果。譚永福等[9]以南山煤礦為研究背景，采用高位鉆場、封閉充填防漏等技術(shù)，結(jié)合高位巷抽采的綜合防治技術(shù)，防止了因周期來壓瓦斯的瞬間大量涌出，保證了工作面安全回采；陳瑞峰[10]以塔山煤礦為研究對象，對初采期間瓦斯超限的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了一整套防治瓦斯超限的措施，保證工作面初采期間安全回采；趙建安等[11]針對易自燃煤層在掘進(jìn)、初采和回采期間瓦斯涌出，采用綜合防治措施，效果顯著，保證工作面正?；夭?。以上研究成果在一定程度上有效解決了初采期間瓦斯超限問題，但是有些成本過高，效果也有待進(jìn)一步考察。本文以同煤國電同忻煤礦有限公司8209工作面為研究背景，采用頂抽巷大直徑導(dǎo)通鉆孔治理工作面初采期間瓦斯超限問題。該種方法不僅成本低，而且治理效果顯著，為特厚煤層綜放面初采瓦斯治理提供了借鑒意義。

1 工程概況

8209工作面位于二盤區(qū)東部，如圖1所示，設(shè)計(jì)走向長度2120.7 m。工作面煤層情況較穩(wěn)定，煤層最大厚度為23 m，最小厚度為17 m，平均厚度20.2 m。該工作面的煤大部分為1/3焦煤，黑色，光亮、半亮、暗淡型，裂隙發(fā)育，半堅(jiān)硬，夾矸為泥巖、炭質(zhì)泥巖。工作面屬單斜構(gòu)造，煤層傾角0°～2°，平均傾角1°，煤層走向北南～北東，傾向北。根據(jù)相鄰采掘巷道揭露情況推測，掘進(jìn)至回風(fēng)巷北幫起737 m左右將揭露1條正斷層，落差在2 m之間。從目前已掘進(jìn)的北二盤區(qū)輔運(yùn)大巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷3條巷道揭露情況，及鉆孔資料分析，區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單。

同忻礦8209綜放工作面采用“U+I型”通風(fēng)方式，工作面采用3巷布置，即膠帶巷(進(jìn)風(fēng)巷)、專用回風(fēng)巷分別沿3#～5#煤層底板布置，1條頂抽巷沿3#～5#煤層頂板布置。頂抽巷掘進(jìn)頭距切眼5 m，與尾巷內(nèi)錯15 m。當(dāng)工作面回采15～30 m，頂抽巷與采空區(qū)塌通后，利用在頂抽巷正巷口構(gòu)筑一道密閉并嵌入的瓦斯抽放管將工作面上隅角、采空區(qū)及放煤后頂部有害氣體經(jīng)頂抽巷抽出，達(dá)到初采期間瓦斯治理的目的。頂抽巷掘進(jìn)完成到投入抽放，一般有1年左右的停掘供風(fēng)期，增加了局部通風(fēng)等一系列費(fèi)用。

為了更好地解決工作面初采期間上隅角、后溜尾瓦斯易超限的問題，同忻礦一直沿用在頂抽巷掘進(jìn)頭向切眼方向施工10多個?108 mm通風(fēng)小鉆孔的方法，讓頂抽巷提前實(shí)現(xiàn)抽放功能。但這種方法因鉆孔通風(fēng)斷面小、通風(fēng)阻力大等原因，造成了初采期間抽放泵運(yùn)行負(fù)壓高、流量和工效低，加大了抽放泵的運(yùn)行負(fù)擔(dān)和隱形維修成本[12-15]。因此針對以上問題，提出了頂抽巷大直徑提前導(dǎo)通通風(fēng)鉆孔的想法。

2 頂抽巷大直徑提前導(dǎo)通通風(fēng)鉆孔工藝

2.1 實(shí)現(xiàn)頂抽巷與切眼的提前導(dǎo)通停用局部通風(fēng)機(jī)

同忻礦提出了利用通風(fēng)鉆孔提前導(dǎo)通頂抽巷和切眼，形成一進(jìn)二回通風(fēng)系統(tǒng)。頂抽巷提前導(dǎo)通形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)后，就可以將頂抽巷內(nèi)通風(fēng)機(jī)關(guān)停，可以節(jié)約一大部分通風(fēng)機(jī)看護(hù)、風(fēng)筒維護(hù)、局部通風(fēng)機(jī)電費(fèi)等費(fèi)用。同時可消除頂抽巷因局部通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停風(fēng)造成的瓦斯、缺氧窒息等事故，安全經(jīng)濟(jì)效益巨大。同忻礦在二盤區(qū)8209工作面先行試驗(yàn)，通風(fēng)系統(tǒng)貫通前后情況如圖1所示，圖中Q為通風(fēng)量。

圖1 8209頂抽巷掘進(jìn)頭通風(fēng)鉆孔貫通前、后通風(fēng)系統(tǒng)圖

8209頂抽巷與切眼貫通后，頂抽巷內(nèi)局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行，工作面整體改為一進(jìn)二回通風(fēng)系統(tǒng)，有效節(jié)約8209頂抽巷的局部通風(fēng)費(fèi)用。

2.2 小鉆孔貫通擴(kuò)孔施工

目前，同煤集團(tuán)范圍內(nèi)利用反井鉆機(jī)施工大直徑鉆孔的方法已經(jīng)成熟，但該方法的現(xiàn)場施工條件要求多且施工費(fèi)用高。針對同忻礦的現(xiàn)場條件，設(shè)計(jì)了先從8209工作面切巷內(nèi)施工8個?146 mm小鉆孔貫通，再施工5個?270 mm大鉆孔貫通(貫通位置為8209頂抽巷巷道底板距掘進(jìn)頭約1 m處)，最后從8209頂抽巷內(nèi)用風(fēng)鎬將鉆孔逐步刷大至直徑1.2 m的方法。有效實(shí)現(xiàn)了頂抽巷大直徑通風(fēng)鉆孔導(dǎo)通，構(gòu)思巧妙，簡單實(shí)用。鉆孔施工方案如圖2所示。

圖2 8209工作面頂抽巷大直徑通風(fēng)鉆孔設(shè)計(jì)圖

2.3 瓦斯治理效果分析

在采取前述工作面初采期瓦斯治理綜合措施后，對 8209 工作面開始回采。圖3為 8209 工作面和8201工作面初采200 m 范圍內(nèi)的絕對瓦斯涌出量。其中，8209工作面采取了頂抽巷大直徑通風(fēng)鉆孔治理初采期間瓦斯，8201工作面未采取以上措施。

圖3 8209、8201工作面初采期間工作面絕對瓦斯涌出量變化曲線

由圖3可以看出，風(fēng)排瓦斯量均衡、未出現(xiàn)采空區(qū)瓦斯集中釋放及超限情況，8209 工作面初采 200 m 范圍內(nèi)未出現(xiàn)大規(guī)模的瓦斯異常涌出情況，與 8201 工作面相比，未出現(xiàn)其在回采初期的2處瓦斯異常涌出高值。采取頂抽巷大直徑通風(fēng)鉆孔后，8209 工作面回采初期瓦斯涌出情況相對平穩(wěn)。

3 社會經(jīng)濟(jì)效益分析

通過實(shí)施頂抽巷大直徑通風(fēng)鉆孔提前導(dǎo)通工程，有效降低了頂抽巷在工作面?zhèn)洳善陂g的局部通風(fēng)費(fèi)用。同時，采用小鉆孔貫通配合大直徑鉆頭擴(kuò)孔，造成煤體垮落自然成孔，大幅降低了鉆孔施工費(fèi)用。另外，在工作面初采期間可實(shí)現(xiàn)頂抽巷的提前導(dǎo)通使用，降低了抽放泵隱性維修成本，提高了頂抽巷初采期間的抽采流量及效果，取得了極好的安全和經(jīng)濟(jì)效益，在全集團(tuán)公司3#～5#煤層類似礦井具有很高的應(yīng)用和推廣價值。本文主要從局部通風(fēng)費(fèi)用核算，以及頂抽巷降坡貫通法、反井鉆機(jī)貫通法、小鉆孔擴(kuò)孔貫通法3種貫通方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)社會效益比較分析。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

3.1.1 局部通風(fēng)費(fèi)用計(jì)算

(1)電費(fèi)。在8209頂抽巷在未貫通前，采用局部通風(fēng)的方式，其使用局部通風(fēng)機(jī)為FBD-NO7.5型局部通風(fēng)機(jī)，該通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率為2×55 kW(二級)，若電費(fèi)價格按照0.65元/kW·h計(jì)算，運(yùn)行時長每年按照300 d取值，則一年所需要的電費(fèi)為51.48萬元。

(2)局部通風(fēng)設(shè)施折舊及人工維護(hù)費(fèi)用。局部通風(fēng)機(jī)在使用過程中產(chǎn)生以下3個方面的費(fèi)用。第一，風(fēng)筒折舊費(fèi)：在使用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)時，供風(fēng)距離按照1700 m(即10 m/節(jié)，共170節(jié)風(fēng)筒)，風(fēng)筒折舊費(fèi)按照200元/節(jié)計(jì)算，風(fēng)筒折舊費(fèi)約為3.4萬元；第二，通風(fēng)機(jī)折舊費(fèi)：通風(fēng)機(jī)使用的折舊費(fèi)每年按照6萬元，使用年限為5年，風(fēng)機(jī)折舊費(fèi)約為1萬元；第三，人工費(fèi)：每班人工按照200元/工，2人/班計(jì)算，維護(hù)時長為300 d，人工費(fèi)約為18萬元。因此，局部通風(fēng)設(shè)施折舊及人工維護(hù)費(fèi)用約為22.4萬元。

根據(jù)以上計(jì)算可知：按照備采期10個月計(jì)算，8209頂抽巷改為全風(fēng)壓通風(fēng)后可節(jié)約局部通風(fēng)費(fèi)用約73.88萬元。

3.1.2 頂抽巷貫通3種方法費(fèi)用對比

3種貫通方法費(fèi)用比較見表1，由表1可知，此種鉆進(jìn)方法可節(jié)約工程費(fèi)用4.73～6.73萬元。

表1 3種主要方法費(fèi)用粗算比較

根據(jù)以上兩個主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較，通過實(shí)施頂抽巷大直徑提前導(dǎo)通通風(fēng)鉆孔，直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)78.61～80.61萬元。

3.2 社會效益

頂抽巷改為負(fù)壓通風(fēng)后，消除了局部通風(fēng)機(jī)無計(jì)劃停電停風(fēng)造成的瓦斯超限事故甚至缺氧窒息等安全事故隱患，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益巨大。在集團(tuán)公司嚴(yán)格瓦斯超限追責(zé)管理的安全形勢下，更顯方案的推廣價值。

與國內(nèi)實(shí)行的其他頂抽巷貫通方法相比較，同忻礦實(shí)施的頂抽巷與切眼提前導(dǎo)通技術(shù)具有簡單實(shí)用效果好的優(yōu)點(diǎn)，有效增加了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了初采期間的瓦斯抽采效果。同時該項(xiàng)技術(shù)在8209頂抽巷、8209工作面切眼內(nèi)均需施工鉆孔，8209工作面切眼內(nèi)施工鉆孔時需做好安全防護(hù)工作，防止掉落的煤體砸傷人。該技術(shù)可以在全集團(tuán)公司類似采掘布置的礦井應(yīng)用推廣，具有很高的安全和經(jīng)濟(jì)推廣價值。

4 結(jié)語

(1)頂抽巷大直徑提前導(dǎo)通通風(fēng)鉆孔的應(yīng)用，有效增加了通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并增強(qiáng)了初采期間的瓦斯抽采效果，解決了特厚煤層綜放面初采期間瓦斯超限問題，對類似條件的其他礦井具有借鑒意義。

(2)頂抽巷大直徑提前導(dǎo)通通風(fēng)鉆孔技術(shù)大幅降低了頂抽巷停掘供風(fēng)期間的通風(fēng)費(fèi)用，降低了抽放泵隱性維修成本，提高了頂抽巷初采期間的抽采流量，效果很好，取得了極好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，在類似礦井具有很高的應(yīng)用和推廣價值。