九龍礦15247S 工作面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用研究

代精宇

（冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056500）

1 概況

九龍礦為煤與瓦斯突出礦井，15247S 工作面位于北五采區(qū)，屬于第Ⅲ地質(zhì)單元無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。煤層性質(zhì)為分層—合并—分層的復(fù)合煤層，未進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采，瓦斯賦存量大，煤層透氣性差，2 號(hào)煤厚為2.5～3.6 m，平均煤厚3.1 m。上順槽經(jīng)28點(diǎn)～經(jīng)30 點(diǎn)，下順槽經(jīng)31 點(diǎn)前35 m～經(jīng)45 點(diǎn)前10 m，為煤合并段。煤層合并后2 號(hào)煤上分層平均煤厚約3.0 m，煤層分叉后2 號(hào)煤平均煤厚約3.1 m，煤巖層傾角約為17°。該工作面煤層實(shí)測(cè)瓦斯含量最大值為6.29 m3/t，開(kāi)采2 上煤時(shí)，2 下煤瓦斯受卸壓應(yīng)力和頂?shù)装迤扑橛绊懹咳氲讲煽諈^(qū)，回采期間瓦斯涌出量最大達(dá)到30 m3/min。

為了避免工作面回采期間瓦斯超限事故發(fā)生，對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行交叉、立體、全方位抽采，形成了一整套多措并舉的瓦斯綜合治理技術(shù)體系，為安全開(kāi)采提供保障。

2 瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

九龍礦在沒(méi)有外部經(jīng)驗(yàn)可借鑒的情況下，在采取了原有的瓦斯綜合治理措施（高位鉆孔抽采、上隅角采空區(qū)埋管抽采、上下巷順層鉆孔抽采、工作面短孔高壓注水壓裂抽采、原有及鄰近巷道抽采等）的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用了“疏堵”結(jié)合的方式治理瓦斯，直拔式高頂鉆場(chǎng)抽采、頂板大直徑高位鉆孔抽采、頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽采、上隅角無(wú)機(jī)發(fā)泡材料墻封堵采空區(qū)瓦斯，形成針對(duì)復(fù)合煤層的一套綜合瓦斯治理體系。

2.1 直拔式鉆場(chǎng)大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

創(chuàng)新采用煤層頂板直拔式高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)底板位于煤層頂板5 m 以上，與普通本煤層鉆場(chǎng)相比較，該鉆場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)所有高位鉆孔在巖層內(nèi)開(kāi)孔，保證了鉆孔封孔質(zhì)量，保證了抽采鉆孔連續(xù)性，避免了過(guò)鉆場(chǎng)期間抽采效果不佳，以及引起瓦斯超限的局面。優(yōu)化高頂鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)工作面煤層賦存情況（煤層分叉—合并—分叉）及瓦斯涌出特點(diǎn)，對(duì)工作面高位鉆孔實(shí)行“一鉆場(chǎng)一設(shè)計(jì)”，科學(xué)布置鉆孔數(shù)量和鉆孔終孔層位，在煤層合并區(qū)增加鉆孔數(shù)量和鉆孔覆蓋范圍。將高位鉆孔孔徑由94 mm 調(diào)整為168 mm，并全程下花管，提高成孔效果。為保證抽采量，將高頂鉆場(chǎng)瓦斯管路更換成φ300 mm 管路。使用粉煤灰、水泥1∶1 配比封孔材料，注漿完畢凝固后塑性強(qiáng)，不容易產(chǎn)生裂隙導(dǎo)致鉆孔漏氣。強(qiáng)化高位鉆孔抽采精細(xì)化管理，實(shí)施“大孔徑、大管路、大流量、嚴(yán)封孔、管到底”（圖1）。

圖1 高頂鉆場(chǎng)示意Fig.1 High-top drilling site

（1）鉆孔設(shè)計(jì)。在15247S 工作面上順槽下幫布置高頂鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)通道破2 煤頂板掘進(jìn)，鉆場(chǎng)里端底板位于2 煤頂板5 m 以上，以五、六號(hào)鉆場(chǎng)為例，五號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔孔徑為94 mm，六號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔孔徑為168 mm，設(shè)計(jì)布置14 個(gè)鉆孔，鉆孔終孔位置水平距上順槽0～50 m，孔深110～135 m，1號(hào)、8 號(hào)鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上18 m，2 號(hào)～7 號(hào)鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上25 m，9 號(hào)～14 號(hào)鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上20 m（圖2）。

圖2 高頂鉆場(chǎng)鉆孔布置平面示意Fig.2 Borehole layout plane of high-top drilling field

（2）施工技術(shù)參數(shù)。五號(hào)鉆場(chǎng)通孔孔徑94 mm，六號(hào)鉆場(chǎng)開(kāi)孔使用直徑113 mm 鉆頭施工、至30 m，之后用φ133 mm、φ168 mm 鉆頭擴(kuò)孔至終孔。

（3）封孔材料。使用粉煤灰、水泥1∶1 配比，注漿完畢凝固后塑性強(qiáng)，不容易產(chǎn)生裂隙導(dǎo)致鉆孔漏氣。五號(hào)鉆場(chǎng)施工過(guò)程中，使用水泥+膨脹劑封孔，六號(hào)鉆場(chǎng)施工鉆孔通孔孔徑168 mm，使用水泥+粉煤灰封孔。

2.2 上隅角采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

利用井下移動(dòng)抽采系統(tǒng)，對(duì)工作面上隅角采空區(qū)進(jìn)行插管和埋管抽采。在工作面上順槽內(nèi)鋪設(shè)大直徑抽采管路，上順槽外段至移動(dòng)泵鋪設(shè)φ500 mm 管路800 m，里段鋪設(shè)2 趟φ250 mm 管路。將原2BE1353-OBD3 型移動(dòng)抽采泵（額定抽采量為90 m3/min）更換為ZWY290/355-G 型移動(dòng)瓦斯抽采泵（額定抽采量為290 m3/min，電機(jī)功率355 kW）。

15247S 工作面用裝滿煤的編織袋在上下端頭各砌筑一道煤袋墻，在上隅角煤袋墻里插管路進(jìn)行抽采。埋管抽采時(shí)隨著工作面推進(jìn)在采空區(qū)內(nèi)留設(shè)抽采管路，每隔4～8 m 安設(shè)1 個(gè)蜂窩式抽放頭。創(chuàng)新使用了MA 礦用無(wú)機(jī)復(fù)合發(fā)泡材料墻。該材料凝固后具有一定的強(qiáng)度和一定的柔性承壓能力，充填墻體整體性好，能夠起到很好的封閉作用。工作面上隅角每隔15 m 建一道，將2 下煤涌出的瓦斯封堵到了采空區(qū)，減輕了上隅角瓦斯治理難度。同時(shí)預(yù)埋抽采管在采空區(qū)進(jìn)行抽采，大大提高了抽采效果和濃度，從而有效治理了采空區(qū)涌出的瓦斯（圖3）。

圖3 無(wú)機(jī)發(fā)泡材料充填結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Indication of filling structure of inorganic foaming materials

2.3 上下順槽順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

在工作面上、下順槽每間隔4～8 m 設(shè)計(jì)布置1 個(gè)順層鉆孔，鉆孔工程量巨大，為提高順層鉆孔鉆進(jìn)效率和成孔率，改進(jìn)使用了壓風(fēng)排渣孔口捕塵方式同時(shí)配合使用三棱鉆桿，順層鉆孔鉆進(jìn)效率和成孔率有顯著提高。鉆孔施工完成后，使用掏穴鉆頭，對(duì)工作面鉆孔孔徑進(jìn)行掏穴擴(kuò)孔，提高鉆孔內(nèi)徑自由面，增加單孔瓦斯釋放量，增加抽采效果。

利用三菱鉆桿及壓風(fēng)排渣鉆孔施工方式，鉆孔中煤粉容易被排除，有效避免了塌孔和埋鉆現(xiàn)象的發(fā)生。鉆孔掏穴是對(duì)已施工的鉆孔實(shí)施二次擴(kuò)孔，從鉆孔孔口以里30 m 開(kāi)始，將鉆孔孔徑由原來(lái)的94 mm 擴(kuò)大為220 mm，增大了鉆孔煤層暴露面積和鉆孔周圍煤體卸壓范圍，增強(qiáng)了煤層透氣性，使瓦斯流動(dòng)場(chǎng)擴(kuò)大，增加了單孔抽采半徑。

（1）鉆孔設(shè)計(jì)。在15247S 工作面上下順槽每8 m 施工1 個(gè)鉆孔，孔徑94 mm，鉆孔方位與巷道呈70°夾角并朝向工作面切眼方向，仰角與煤層層位相同，20 號(hào)鉆孔使用三菱鉆桿及壓風(fēng)排渣施工方式并進(jìn)行掏穴擴(kuò)孔，對(duì)20 號(hào)、10 號(hào)孔進(jìn)行抽采效果觀察對(duì)比。

（2）鉆頭規(guī)格。終孔鉆頭直徑94 mm，掏穴鉆頭直徑220 mm。

（3）施工技術(shù)。在施工20 號(hào)鉆孔過(guò)程中，初期孔口30 m 長(zhǎng)度未使用直徑133 mm 鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，導(dǎo)致在使用掏穴鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，后路返水通道不暢通，孔內(nèi)巖粉無(wú)法及時(shí)排出，最終20 號(hào)鉆孔掏穴長(zhǎng)度僅為20 m。后經(jīng)討論研究，使用φ133 mm 鉆頭對(duì)鉆孔0～30 m 長(zhǎng)度進(jìn)行擴(kuò)孔，增加鉆孔后路通道空間。在使用φ133 mm 鉆頭擴(kuò)孔后，掏穴長(zhǎng)度增加了70 m，共計(jì)掏穴長(zhǎng)度90 m。掏穴至孔底后，將鉆孔取出，采用“兩堵一注”的封孔工藝對(duì)掏穴孔進(jìn)行封孔，并及時(shí)聯(lián)抽。在試驗(yàn)的同一天對(duì)10 號(hào)孔進(jìn)行聯(lián)抽后持續(xù)考察10、20 號(hào)孔的預(yù)抽效果（圖4～圖5）。

圖4 掏穴擴(kuò)孔增透鉆孔原理示意Fig.4 Schematic principle of hole-digging and permeability-increasing drilling

圖5 掏穴擴(kuò)孔順層鉆孔平面布置示意Fig.5 Plane layout of boreholes along boreholes with hole enlargement

2.4 工作面短孔高壓注水壓裂抽采技術(shù)

鉆孔在工作面呈單排布置，距上巷5 m 處開(kāi)始施工第一個(gè)鉆孔，以后每隔5 m 施工一個(gè)鉆孔，鉆孔孔深為10～15 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔方向垂直于工作面煤壁，鉆孔傾角與鉆孔方向煤層傾角相同。對(duì)單號(hào)鉆孔進(jìn)行抽采，對(duì)雙號(hào)鉆孔進(jìn)行高壓注水，在工作面內(nèi)鋪設(shè)1 趟直徑為100 mm 的抽采軟管。抽采鉆孔采用聚氨酯封孔，封孔管選用φ50 mm 的PVC 管，PVC 管進(jìn)入孔內(nèi)長(zhǎng)度不低于1.5 m，封孔位置為孔口至孔內(nèi)1 m 處（圖6）。

圖6 工作面短孔平面布置示意Fig.6 The layout of short hole in working face

注水孔采用高壓注水，注水壓力不超過(guò)10 MPa，采用注水專用封孔器進(jìn)行封孔，當(dāng)煤壁出現(xiàn)“掛汗”現(xiàn)象或附近鉆孔出水時(shí)停止注水，每天在檢修班次施工鉆孔并進(jìn)行注水及抽采。通過(guò)高壓注水壓裂后，工作面短鉆孔抽采純量可到達(dá)1 m3/min，另外高壓注水使煤體濕潤(rùn)，消除工作面割煤期間煤塵飛揚(yáng)的現(xiàn)象。施工完畢，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔后，并及時(shí)聯(lián)抽。

鉆孔在工作面呈單排布置，距上巷5 m 處開(kāi)始施工第一個(gè)鉆孔，以后每隔5 m施工一個(gè)鉆孔，鉆孔孔深為10～15 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔方向垂直于工作面煤壁，鉆孔傾角與鉆孔方向煤層傾角相同。3 號(hào)孔附近區(qū)域雙號(hào)孔不采取高壓注水，11號(hào)孔附近區(qū)域雙號(hào)孔采取高壓注水。施工完畢，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔后，并及時(shí)聯(lián)抽。

2.5 原有巷道及鄰近巷道抽采技術(shù)

在原15247S 掘進(jìn)施工巷密閉墻留設(shè)抽采管路，在工作面回采初期抽采工作面采空區(qū)瓦斯。受工作面采動(dòng)影響，工作面采空區(qū)瓦斯通過(guò)裂隙涌入到鄰近北五采區(qū)輔助回風(fēng)巷內(nèi)，在原北五采區(qū)輔助回風(fēng)巷密閉墻留設(shè)抽采管路抽采瓦斯，瓦斯抽采量可達(dá)3 m3/min。

2.6 頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)

為滿足15247S 工作面回采期間瓦斯治理需要，利用防治水地面區(qū)域治理打鉆技術(shù)，在地面施工15247S 工作面頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔，自地面施工抽1 主孔，主孔施工至設(shè)計(jì)深度后開(kāi)始造斜分支，向15247S 工作面頂板施工定向分支長(zhǎng)鉆孔，并利用井下抽采管路抽采，從而達(dá)到抽采工作面采空區(qū)瓦斯的目的。

3 瓦斯綜合治理效果

3.1 直拔式鉆場(chǎng)大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用效果

5 號(hào)、6 號(hào)鉆場(chǎng)從接抽到拆除，實(shí)測(cè)獲得的抽采量最大區(qū)間的抽采濃度、流量及純量對(duì)比瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 鉆場(chǎng)抽采參數(shù)Table 1 Drainage parameter of drilling field

由表1 分析可知，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)抽采量最大區(qū)間連續(xù)10 d 的抽采數(shù)據(jù)，6 號(hào)鉆場(chǎng)平均抽采純量為5.16 m3/min，是5 號(hào)鉆場(chǎng)平均純量的1.2 倍。6 號(hào)鉆場(chǎng)平均抽采混量28.82 m3/min，是5 號(hào)鉆場(chǎng)平均混量的1.1 倍。6 號(hào)鉆場(chǎng)平均抽采濃度17.92%，是5 號(hào)鉆場(chǎng)平均濃度的1.1 倍。

抽采濃度和流量同時(shí)增大，經(jīng)過(guò)改進(jìn)封孔材料，抽采濃度增加，大直徑擴(kuò)孔后，抽采流量升高，抽采純量增加了1.4 倍，使高位抽采效果最大化。

3.2 直拔式鉆場(chǎng)大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用效果

原使用2 臺(tái)2BE1353-OBD3 型移動(dòng)抽采泵（額定抽采量為90 m3/min）抽采上隅角采空區(qū)瓦斯，之后更換了2 臺(tái)ZWY290/355-G 型移動(dòng)瓦斯抽采泵（額定抽采量為290 m3/min），更換大直徑管路，并創(chuàng)新使用MA 礦用無(wú)機(jī)復(fù)合發(fā)泡材料墻。

實(shí)測(cè)改造前10 d 及改造后10 d 的抽采濃度、流量及純量，對(duì)比瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2 分析可知，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)改造前后連續(xù)10 d的抽采數(shù)據(jù)，改造后平均抽采純量為4.27 m3/min，是改造前平均純量的4.14 倍；改造后平均抽采混量140 m3/min，是改造前平均混量的3.32 倍；改造后平均抽采濃度3.1%，是改造前平均濃度的1.29 倍。

表2 抽采參數(shù)表Table 2 Extraction parameter table

經(jīng)過(guò)使用MA 礦用無(wú)機(jī)復(fù)合發(fā)泡材料墻，更換管路及瓦斯泵，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高。表明無(wú)機(jī)復(fù)合發(fā)泡材料墻，能夠起到很好的封閉作用，將2 下煤涌出的瓦斯封堵到了采空區(qū)，減輕了上隅角瓦斯治理難度，從而有效治理了采空區(qū)涌出的瓦斯。

3.3 直拔上下順槽順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用效果

為了獲得同步數(shù)據(jù)比較，工作面完成了20 號(hào)鉆孔掏穴擴(kuò)孔施工，并采取“兩堵一注”封孔工藝進(jìn)行了封孔。按期對(duì)20 號(hào)鉆孔的抽采濃度、流量及純量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，和10 號(hào)未受擾動(dòng)影響的鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 鉆孔抽采參數(shù)表Table 3 Tables of borehole extraction parameters

由表3 分析可知，掏穴擴(kuò)孔之后連續(xù)抽采10 d，20 號(hào)孔平均抽采純量為0.18 m3/min，是10 號(hào)鉆孔平均純量的3.0 倍；20 號(hào)孔平均抽采混量1.03 m3/min，是10 號(hào)鉆孔平均混量的1.73 倍；20 號(hào)孔平均抽采濃度17.72%，是10 號(hào)鉆孔平均濃度的1.97 倍。

鉆孔經(jīng)過(guò)掏穴擴(kuò)孔后，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高，表明通過(guò)掏穴擴(kuò)孔，在鉆孔中產(chǎn)生了更大的自由接觸面，提高了單孔瓦斯釋放速度與釋放量，促進(jìn)了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采效果更佳。

3.4 工作面短孔高壓注水壓裂抽采技術(shù)應(yīng)用效果

為了獲得同步數(shù)據(jù)比較，工作面完成了11 號(hào)孔附近區(qū)域雙號(hào)孔高壓注水壓裂，并對(duì)3 號(hào)、11號(hào)抽采孔采用聚氨酯封孔。從接抽開(kāi)始每15 min對(duì)11 號(hào)鉆孔的抽采濃度、流量及純量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，和3 號(hào)未受擾動(dòng)影響的鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比瓦斯抽采數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4 分析可知，對(duì)11 號(hào)孔區(qū)域雙號(hào)孔高壓注水壓裂，每15 min 一次連續(xù)測(cè)定2 h，11 號(hào)鉆孔平均抽采純量為0.037 m3/min，是3 號(hào)未受擾動(dòng)影響的鉆孔平均純量的1.48 倍；11 號(hào)孔平均抽采混量0.2 m3/min，是3 號(hào)未受擾動(dòng)影響的鉆孔平均混量的1.25 倍；11 號(hào)孔平均抽采濃度18.6%，是3號(hào)未受擾動(dòng)影響的鉆孔平均濃度的1.25 倍。

表4 鉆孔抽采參數(shù)表Table 4 Borehole extraction parameter table

鉆孔經(jīng)過(guò)高壓注水壓裂后，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高，表明通過(guò)高壓注水壓裂，在鉆孔中產(chǎn)生了更大的自由接觸面，提高了單孔瓦斯釋放速度與釋放量，促進(jìn)了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采效果更佳。

3.5 工作面瓦斯綜合治理成效

通過(guò)采用多措并舉的瓦斯綜合治理措施，15247S 工作面總抽采量最大時(shí)達(dá)到23 m3/min，抽放率達(dá)到76%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仁冀K控制在0.2%～0.6%，有效解決工作面回采期間瓦斯涌出量大等問(wèn)題，避免工作面瓦斯超限，保證了工作面安全生產(chǎn)，同時(shí)提高了工作面單產(chǎn)，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）創(chuàng)新使用“MA”礦用無(wú)機(jī)復(fù)合發(fā)泡材料墻封閉采空區(qū)，并在采空區(qū)里面埋管進(jìn)行抽采，使2 下煤涌出的大量瓦斯被堵在采空區(qū)，涌出到工作面上隅角的瓦斯量減小了80%，減輕了上隅角瓦斯治理難度，同時(shí)埋管抽采的瓦斯?jié)舛仍黾? 倍，達(dá)到20%左右，抽采效率大大提高，徹底解決了復(fù)合煤層瓦斯治理的難題。

（2）將高頂鉆孔孔徑由94 mm 調(diào)整為168 mm，徹底解決了頂板粉砂巖中鉆孔塌孔，抽采效果差問(wèn)題，同時(shí)增大了單孔瓦斯抽采量。

（3）利用防治水地面區(qū)域治理打鉆技術(shù)，在地面施工15247S 工作面頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔，并利用井下抽采管路抽采，從而達(dá)到抽采工作面采空區(qū)瓦斯的目的。

（4）創(chuàng)新使用直拔式高頂鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)底板高于巷道底板5 m，使鉆孔有效抽采長(zhǎng)度增加約60%。

（5）自主研制抽采鉆孔封孔材料，把水泥和粉煤灰按1∶1 比例混合，并加入添加劑，在提高密封效果的同時(shí)，封孔成本降低50%以上，每年為我礦節(jié)約成本156 萬(wàn)元，并使廢物得到利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（6）瓦斯綜合治理技術(shù)在低滲透煤層瓦斯抽采中的成功應(yīng)用，意味著在該礦及其他礦井類似地質(zhì)條件和瓦斯地質(zhì)下，均能得到推廣和應(yīng)用，為其他礦井相同條件下的瓦斯治理提供有力依據(jù)。