晉能集團馬堡煤業(yè)采動區(qū)以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)研究與工程實踐

王小朋

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

晉能集團現(xiàn)煤炭生產(chǎn)能力為7 720萬t/a，有65座生產(chǎn)礦井，其中有20座高瓦斯及突出礦井，主要分布于陽泉、長治、晉城等5個地區(qū)。礦井分布范圍廣，煤層賦存及地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯災(zāi)害差異性較大。單一煤層及煤層群開采，煤層透氣性較差，導(dǎo)致各礦井瓦斯預(yù)抽效果均不理想，綜采工作面回采后采場瓦斯涌出量普遍在20～35 m3/min內(nèi)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016)相關(guān)條款的規(guī)定，以及山西省“取消瓦排巷”政策的頒布實施，原來礦井采用瓦斯排放專巷治理采空區(qū)瓦斯技術(shù)不能再采用，工作面上隅角瓦斯治理問題成為了晉能集團大部分礦井高產(chǎn)高效的技術(shù)瓶頸。

目前，針對工作面開采后采場瓦斯涌出量達 20 m3/min 以上的上隅角瓦斯治理，國內(nèi)主要采用以高抽巷和頂板高位鉆孔進行瓦斯抽采[1-4]。高抽巷以抽采鄰近層卸壓瓦斯為主、抽采開采煤層聚積在裂隙富集區(qū)瓦斯為輔，有較好的抽采效果；據(jù)統(tǒng)計，高抽巷抽采瓦斯量一般達20～40 m3/min，但施工層位需要具備一定條件，成本高、周期長、管理難度大，后期維護困難，并存在一定安全風(fēng)險。頂板高位鉆孔主要用于抽采開采煤層斷裂帶富集區(qū)卸壓瓦斯及少量鄰近煤層瓦斯，鉆場抽采瓦斯量一般達 5 m3/min 左右，抽采鉆孔定位準(zhǔn)確性差，有效鉆孔少，孔徑小，工程量較大，鉆場施工及管理難度大。為此，晉能集團與中煤科工集團重慶研究院有限公司合作開展了“集團公司高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯綜合治理技術(shù)研究”，旨在探索既經(jīng)濟又適用的高瓦斯、突出礦井鄰近層及采空區(qū)瓦斯治理模式，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

1 采動區(qū)以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)原理

以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)原理就是根據(jù)采場圍巖應(yīng)力場及瓦斯流場情況，確定出采場周圍瓦斯卸壓富集區(qū)域，然后通過對鉆孔軌跡的精確控制，精準(zhǔn)施工一定數(shù)量的抽采鉆孔，將鉆孔層位一直保持在“O”形圈內(nèi)，并使鉆孔軌跡沿頂板斷裂帶有效延伸，從而實現(xiàn)對煤層瓦斯富集區(qū)內(nèi)卸壓瓦斯的穩(wěn)定高效抽采，確保高濃度、大流量、長時間的鉆孔瓦斯抽采效果[5-7]，最終達到以孔代巷的目的[8-10]。其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采技術(shù)原理示意圖

2 試驗工作面概況

馬堡煤業(yè)礦井為高瓦斯礦井，目前開采8#和15#煤層。15#煤層厚度4.6～5.6 m，平均厚度5.1 m；煤層傾角為2°～14°，結(jié)構(gòu)比較簡單，與上部9#煤層平均間距為56.39 m。

15203綜采工作面隸屬于152采區(qū)，工作面長度為220 m，走向長度為1 113 m，采用綜合機械化采煤法，全部垮落法控制頂板。15#煤層直接頂為泥巖，平均厚度6.8 m；老頂為細粒砂巖，平均厚度 8.2 m。直接底為鋁質(zhì)泥巖，平均厚度1.3 m；老底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.6 m?，F(xiàn)場實測15203工作面原煤瓦斯含量為6.44 m3/t，工作面采用“U”型通風(fēng)方式，配風(fēng)量為1 458 m3/t。工作面開采后，采場瓦斯涌出量為22 m3/min左右；根據(jù)馬堡煤業(yè)生產(chǎn)實踐，15#煤層開采后，鄰近層瓦斯涌出量占全部瓦斯涌出量的28%左右，加上工作面底部遺煤涌出的瓦斯，成為采空區(qū)主要的瓦斯來源，易造成工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限。

3 采動卸壓瓦斯富集區(qū)范圍的確定

3.1 采動卸壓瓦斯富集區(qū)理論

根據(jù)相關(guān)學(xué)者對卸壓瓦斯富集區(qū)的研究，受采動影響后，上覆巖層將分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，由下而上分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶[11-13]，如圖2所示。

A—煤壁支撐影響區(qū)(a～b)；B—離層區(qū)(b～c)；C—重新壓實區(qū)(c～d)；Ⅰ—垮落帶；Ⅱ—斷裂帶；Ⅲ—彎曲帶。

綜采工作面回采后，在采空區(qū)四周存在大量導(dǎo)通的裂隙通道，即“O”形圈[14-15]。“O”形圈的存在為卸壓瓦斯存儲和流動提供了空間和通道，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)“O”形圈示意圖

將抽采鉆孔布置在采動卸壓瓦斯富集的區(qū)域，能夠確保鉆孔長時間抽采瓦斯，使鉆孔達到最優(yōu)的抽采效果。

3.2 采動卸壓瓦斯富集區(qū)范圍的確定

3.2.1 垮落帶、斷裂帶高度的確定

根據(jù)經(jīng)驗公式計算綜采工作面垮落帶和斷裂帶的高度[16]，計算公式見表1。

表1 垮落帶及斷裂帶高度的統(tǒng)計計算公式

根據(jù)馬堡煤業(yè)地勘資料，15#煤層直接頂主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖、中細砂巖，依據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測定結(jié)果，泥巖的單軸抗壓強度平均為27.5 MPa[17-18]，因此按照中硬巖層計算15203綜采工作面垮落帶高度Hm：

Hm=100ΣM/(4.7ΣM+19)±2.2

(1)

將ΣM=5.1 m代入式(1)，計算得Hm=9.67～14.07 m。取最大值，即15203工作面垮落帶最大高度為14.07 m。

15203綜采工作面斷裂帶高度Hli：

Hli=100ΣM/(1.6ΣM+3.6)±5.6

(2)

將ΣM=5.1 m代入式(2)，計算得Hli=37.77～48.97 m。取最大值，即15203工作面斷裂帶高度為 48.97 m。

3.2.2 鉆孔終孔點與回風(fēng)巷水平距離的確定

根據(jù)采動裂隙“O”形圈理論[19-20]，抽采鉆孔終孔點與回風(fēng)巷的水平距離s的計算公式如下：

s=[H-(B+Hcotθ)tanα]sinα+(B+Hcotθ)/cosα

(3)

式中：s為抽采鉆孔終孔點與回風(fēng)巷的水平距離，m；H為抽采鉆孔終孔點與煤層的垂直距離，m；B為抽采鉆孔與“O”形圈的外邊界距離，一般條件下B取 0～34 m；θ為“O”形圈外邊界與開采邊界的連線跟煤層的傾角，(°)；α為煤層傾角，(°)。

取H=49 m，B=34 m，θ=65°，α=14°，代入式(3)，計算得到走向長鉆孔終孔點與回風(fēng)巷的最遠水平距離為67 m。設(shè)計水平控制范圍為67 m。

由上述計算可知，15203綜采工作面采動卸壓瓦斯富集區(qū)范圍為：距頂板垂距15～49 m，距回風(fēng)巷 0～67 m。

4 以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采試驗方案

4.1 抽采方案

結(jié)合15203綜采工作面實際情況，將鉆場布置在距回風(fēng)巷口60 m處的采煤幫側(cè)，定向鉆場尺寸為長8.0 m、深4.5 m、高4.5 m，在每個鉆場內(nèi)設(shè)計 5個鉆孔，鉆孔開孔間距0.6 m，目標(biāo)鉆孔間距 8.0 m，開孔高度距頂板1.5 m，設(shè)計最大孔深400 m(走向長度)，鉆孔開孔直徑為94 mm，進行一次擴孔，終孔直徑153 mm。

馬堡煤業(yè)前期在8204、15108工作面回風(fēng)巷布置頂板高位巖石鉆場，通過施工高位鄰近層鉆孔進行瓦斯抽采，在鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)，距離頂板約 20 m 處有1層5.5 m厚的K2石灰?guī)r，其硬度較高，鉆孔施工困難且不易垮落，在距離頂板斷裂帶高度 38 m、距離回風(fēng)巷40 m以外的瓦斯抽采效果較差。因此，本次鉆孔布置在與頂板垂距15～38 m，距回風(fēng)巷8～40 m的區(qū)域。

鉆孔平行于15203回風(fēng)巷，1#、2#、3#、4#和5#鉆孔分別距離回風(fēng)巷40、32、24、16、8 m，1#～5#鉆孔開孔高度距離頂板2 m，間距0.7 m，1#鉆孔終孔高度距頂板38 m，2#鉆孔終孔高度距頂板34 m，3#～5#鉆孔終孔高度距頂板15 m。鉆孔布置如圖4所示。

(a)平面圖

鉆孔施工實際軌跡圖如圖5所示。

(a)平面圖

4.2 瓦斯抽采效果分析

為了準(zhǔn)確考察瓦斯抽采效果，在鉆場內(nèi)布置 ?377 mm×4 mm螺旋焊接鋼管，在總管路及每個鉆孔安裝自動計量裝置和孔板流量計，對單個鉆孔進行計量考察。2019年6月28日開始進行抽采，在抽采負壓為15 kPa情況下，15203綜采工作面走向長鉆孔70 d內(nèi)抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分?jǐn)?shù)，下同)及瓦斯純流量統(tǒng)計情況如圖6所示。

(a)瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線

由圖6可知，1#鉆孔布置在斷裂帶中，主要抽采上鄰近層瓦斯，抽采效果最好，最大單孔抽采瓦斯?jié)舛瓤蛇_80.0%，平均值為62.2%；最大單孔抽采瓦斯純流量達到9.85 m3/min，平均值為7.51 m3/min。2#～5#鉆孔實際竣工層位較低，在垮落帶和K2石灰?guī)r之間，主要抽采采空區(qū)瓦斯，4#鉆孔抽采效果最好，最大單孔抽采瓦斯?jié)舛瓤蛇_78.0%，平均值為51.4%；最大單孔抽采瓦斯純流量達到10.41 m3/min，平均值為6.42 m3/min。有效治理了15203綜采工作面采空區(qū)和鄰近層涌出的瓦斯。

4.3 工程效率及經(jīng)濟效益分析

4.3.1 工程效率分析

采用以孔代巷瓦斯抽采技術(shù)，可減少因開掘高抽巷(巖巷)而影響生產(chǎn)的時間，有利于采掘接替和工作面產(chǎn)量的提高。按照原高抽巷掘進進度，工作面走向長度為1 113 m，需要8個月時間。而頂板走向長鉆孔長度為400 m，可以與工作面進風(fēng)巷、回風(fēng)巷同時施工，僅需要3個半月時間，能大大緩解抽、掘、采銜接緊張問題。

4.3.2 經(jīng)濟效益分析

15203綜采工作面共設(shè)計布置3個鉆場，鉆場長8.0 m、深4.5 m、高4.5 m，鉆場間水平距離400 m，每個鉆場施工費用4萬元。高抽巷與鉆孔施工費用情況對比見表2。

表2 高抽巷與鉆孔施工費用對比

由表2可知，采動區(qū)以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采效果比高抽巷更優(yōu)，施工時間縮短約2/3，工程成本節(jié)約3/4左右。因此，以孔代巷精準(zhǔn)抽采瓦斯技術(shù)在保證抽采效果的同時可極大地降低施工成本。

5 結(jié)論

1)通過定向鉆機對頂板走向定向鉆孔軌跡的精確控制，根據(jù)實際工作面采場瓦斯涌出特征，施工了大直徑(?153 mm)鉆孔對瓦斯富集區(qū)進行精準(zhǔn)抽采，抽采瓦斯純流量單孔最大達到10.41 m3/min，鉆場達到15.00 m3/min，初步實現(xiàn)了以孔代巷的瓦斯抽采效果，有效解決了馬堡煤業(yè)15203工作面“U”型通風(fēng)條件下上隅角瓦斯治理難題，實現(xiàn)了安全高效開采。

2)試驗得出馬堡煤業(yè)15#煤層賦存條件下的采場瓦斯富集區(qū)范圍，并得出鄰近層瓦斯抽采在距煤層頂板38 m、距回風(fēng)巷煤壁40 m處效果最佳；采空區(qū)瓦斯抽采在距煤層頂板15 m、距回風(fēng)巷煤壁16 m處效果最佳。

3)針對馬堡煤業(yè)復(fù)雜頂板地層，通過采動區(qū)以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采，抽采瓦斯?jié)舛雀?、流量大，瓦斯抽采效果是普通抽采鉆孔的3～4倍。

4)基于馬堡煤業(yè)采場瓦斯涌出特點，試驗得出采動區(qū)以孔代巷瓦斯精準(zhǔn)抽采效果比高抽巷更優(yōu)，施工時間縮短約2/3，工程成本節(jié)約3/4左右，不僅有效緩解了礦井抽、掘、采銜接緊張的問題，而且實現(xiàn)了礦井瓦斯治理降本增效的目的。