采煤工作面高位鉆場抽采卸壓瓦斯效果研究

龍聲德，羅 飛，陳文龍

(貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司， 貴州 六盤水 553000)

貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司131204采煤工作面西起采三區(qū)131運輸石門，東至131204切眼。上覆9#煤層部分開采，131204采煤工作面沿12#煤層布置，可采走向長度1 075 m，可采傾向長度158 m，可采面積169 850 m2，可采儲量39.41萬t. 采用長壁后退式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，U型全風壓通風。

1 煤層及瓦斯賦存情況

1.1 12#煤層賦存概況

131204采煤工作面煤層走向為119°，傾向為30°，煤層28°～32°，平均傾角為30°，煤厚1.26～1.97 m，平均厚度為1.6 m；煤為黑色,半亮型，塊狀,含根及菱鐵礦結核，夾矸為灰質(zhì)粉砂泥巖。煤層層理為中等發(fā)育，節(jié)理不發(fā)育。131204采煤工作面圍巖主要是以粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,巖石節(jié)理不發(fā)育，地質(zhì)構造簡單，12#煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1.

1.2 煤層瓦斯情況

根據(jù)《貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司131204采煤工作面抽采達標評判及區(qū)域措施效果檢驗報告》,原始瓦斯含量和原始壓力分別為6.472 6 m3/t、0.28 MPa,經(jīng)過抽采后殘余瓦斯含量和瓦斯壓力分別為4.851 1 m3/t、0.14 MPa. 12#煤層破壞程度為第V類，煤層堅固性系數(shù)0.342，瓦斯放散初速度ΔP為1.197 kPa，孔隙率為4.11%.

表1 12#煤層頂?shù)装鍑鷰r情況表

1.3 工作面瓦斯涌出量來源分析

回采前在131204回風巷已安裝一趟低負壓DN350采空區(qū)留管，每隔30 m安設一個三通，采空區(qū)留管未能抽采頂板裂隙帶瓦斯，131204采面共安裝105個支架，調(diào)試期間工作面101#架頂部最大瓦斯?jié)舛冗_到0.9%，上隅角最大瓦斯?jié)舛冗_到0.8%.

131204采煤工作面開采后頂板開始跨落，裂隙逐漸發(fā)育，頂板裂隙帶瓦斯隨頂板垮落涌入采空區(qū)，導致采空區(qū)瓦斯大量涌入開采層工作面。根據(jù)《貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司2021年瓦斯治理工作方案》得出131204采煤工作面回采期間瓦斯涌出量為23.86 m3/min，其中開采層瓦斯涌出量2.98 m3/min,開采層涌出比為0.12；臨近層和圍巖瓦斯涌出量為20.88 m3/min，臨近層和圍巖涌出比為0.88.

2 抽采方案選擇

裂隙帶瓦斯是本工作面瓦斯治理的關鍵，該礦在實踐中曾采用高位穿層鉆孔、高位巷等方法抽采頂板裂隙帶瓦斯，由于131204回風巷屬于沿空掘巷，工作面未回采之前，巷道變形嚴重，高位穿層鉆孔在以往實踐過程中抽采濃度高且穩(wěn)定，但施工過程中對巷道的寬度與圍巖穩(wěn)定性有較高的要求[1-2]；高位巷抽采效果好但耗費時間長，工程量較大[3-4]. 結合該礦實際采用高位鉆場來抽采裂隙帶卸壓瓦斯。

3 高位鉆場抽采卸壓瓦斯方法

為了減少頂板裂隙帶瓦斯涌出，緩解工作面瓦斯治理壓力，通過分析研究，決定在切眼往外130 m范圍內(nèi)采用高位鉆場抽采頂板裂隙帶卸壓瓦斯[5].

3.1 鉆場及鉆孔設計

131204采煤工作面采高2 m,高位鉆場布置在距12#煤層頂板法向5倍采高且與回風巷平距10 m的頂板冒落帶范圍內(nèi)，鉆孔終孔布置在距12#煤層頂板法向10倍采高、沿回風巷往采面方向30 m的頂板裂隙帶范圍內(nèi)。高位鉆場及鉆孔設計布置見圖1，圖2.

圖1 高位鉆場及鉆孔設計布置平面圖

圖2 高位鉆場及鉆孔設計布置剖面圖

在131204回風巷采面?zhèn)乳_口按+37°掘進一條長12 m×寬4.5 m×高2.8 m的斜巷，落平掘進3 m后轉(zhuǎn)向，往采面方向掘進2.5 m，鉆場與斜巷均為半圓拱形，鉆場規(guī)格為深2 500 mm×寬3 000 mm×高3 000 mm，采用錨網(wǎng)支護，錨桿間排距為800 mm×800 mm.第一個高位鉆場在距離切眼52 m處施工，往后每隔40 m依次施工，共計3個高位鉆場。

3.2 鉆孔布置及施工

1) 鉆孔布置。

高位鉆場施工完成后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設計鉆孔，每個鉆場設計8個鉆孔，3個鉆場共計24個鉆孔，總工程量1 458 m，設計終孔間距3.55 m，設計見圖1，圖2.

鉆孔在鉆場內(nèi)按兩排均勻布置，每排4個孔，開孔間排距600 mm×600 mm,距兩幫600 mm，第一排距離頂板1 800 mm,第二排距底板600 m；鉆孔與131204回風巷巷道夾角-4°～16°，沿采煤工作面方向呈扇形施工，1#高位鉆場鉆孔控制切眼正上方并超出切眼10 m,相鄰兩個鉆場鉆孔有效壓差為20 m.

2) 鉆孔施工情況。

根據(jù)巷道和鉆場的規(guī)格，利用ZDY-2300型煤礦用全液壓履帶式坑道鉆機施工鉆孔，正常給進速度0～1.2 m/min,鉆桿d73 mm，配套鉆桿長度為800 mm；正常施工鉆孔d94 mm，擴孔鉆孔d133 mm.

2020年10月20日—2020年11月15日，共施工3個鉆場25個鉆孔，其中補孔1個，總工程量1 550.4 m，總用時26 d，施工用時16 d，圓班平均進尺96.9 m. 鉆孔施工結束后，對每個鉆孔進行分析，發(fā)現(xiàn)所施工鉆孔均達到預期要求，僅有一個未達到設計要求，嚴格按照設計進行補孔，鉆孔進尺超額完成6.3%. 抽采鉆孔施工對比見表2.

表2 抽采鉆孔施工對比表

3.3 封孔工藝

每個鉆孔施工結束后，采用d133 mm的鉆頭進行全程擴孔。為了防止回采時受采動影響導致塌孔影響抽采，擴孔結束后全程安裝3.5英寸PE管、成孔24 h內(nèi)完成封孔，具體工藝如下：

1) 準備工作。每根PE管在地面使用工具每隔500 mm打兩個d20 mm的小孔，便于鉆孔末端到封孔段的抽采，并將所需材料工具全部準備齊全。下管前，使用壓風將鉆孔內(nèi)的殘渣清理干凈。

2) 封孔材料。速凝膨脹封孔劑、自帶接頭3.5英寸PE管、便攜式注漿泵、囊袋、封孔管、風水管、注漿管、返漿管、扎帶、膠帶。

3) 封孔要求。封孔長度不小于10 m、封孔壓力不小于4 MPa、出漿量不小于25 L/min、注漿管和返漿管外露不大于300 mm、PE管外露不大于500 mm、封孔必須在20 min內(nèi)完成，封孔結束后至少凝固4 h.

4) 封孔工藝。采用“全程下管+兩堵一注+帶壓封孔”的封孔工藝。每根PE管長度為3 m，具體下管數(shù)量由孔深決定。將帶有特殊接頭的PE管相連并放入鉆孔內(nèi)，安裝過程中在封孔段末端與開孔處用扎帶和膠帶將囊袋固定，然后安裝注漿管和返漿管，采用速凝膨脹封孔劑與水按1∶1.2配比攪拌均勻，使用封孔管將注漿泵與注漿管連接進行帶壓注漿。封孔示意圖見圖3.

圖3 全程下管+兩堵一注+帶壓封孔示意圖

4 效果分析

當鉆孔全部封孔結束，使用3.5英寸埋線管與每個鉆孔連接至抽采管路，抽采負壓不小于13 kPa. 在每個鉆場開口處永久密閉，抽采每個鉆場的管路都設置觀察孔，并由專人每天對鉆場抽采情況進行考察記錄。

1#高位鉆場距離切眼52 m，所施工的鉆孔超出切眼10 m. 通過分析發(fā)現(xiàn)，當采面回采10 m時，頂板全部跨落嚴實，1#高位鉆場的所有終孔全部暴露在頂板裂隙帶中；當采面回采30 m時，2#高位鉆場的所有終孔全部暴露在裂隙帶中；當采面回采70 m時，3#高位鉆場的所有終孔全部暴露在頂板裂隙帶中。當采空區(qū)上方裂隙開始發(fā)育，鉆孔終孔端與PE管小孔附近產(chǎn)生負壓流，開始抽采頂板裂隙帶的卸壓瓦斯，上隅角瓦斯?jié)舛扔忻黠@下降趨勢。高位鉆場支管濃度與回采距離關系、上隅角瓦斯?jié)舛扰c回采距離關系見圖4，圖5.

圖4 高位鉆場支管濃度與回采距離關系圖

圖5 上隅角瓦斯?jié)舛扰c回采距離關系圖

5 結 論

131204采煤工作面調(diào)試期間，采面上隅角及回風流瓦斯較大，根據(jù)現(xiàn)場實際采用高位鉆場施工高位鉆孔抽采頂板裂隙帶卸壓瓦斯。通過抽采，回采期間實現(xiàn)瓦斯“零超限”，高位鉆場支管濃度達到28%，上隅角瓦斯由0.8%降低至0.3%，最大降低0.5%，為采面安全回采創(chuàng)造了有利條件。