高瓦斯礦井采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究

胡志華

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 伯方煤礦分公司，山西 晉城 048400）

高瓦斯礦井在工作面采掘活動(dòng)中會(huì)因局部瓦斯積聚，造成瓦斯?jié)舛壬摺榻鉀Q工作面采空區(qū)高濃度瓦斯問題，以伯方煤礦3303 綜放工作面為研究對(duì)象，采取施工高位鉆孔抽排瓦斯的措施，對(duì)鉆孔參數(shù)和抽采應(yīng)用效果進(jìn)行技術(shù)研究分析。

1 概 況

伯方煤礦屬高瓦斯礦井，經(jīng)過3 次擴(kuò)能技改，礦井由原年產(chǎn)60 萬t，增加到目前核定產(chǎn)能180 萬t/a，3303 綜放工作面位于伯方煤礦三盤區(qū)北部，工作面北翼3302 工作面已采閉，南翼為3304 工作面，西翼緊鄰礦井邊界，東翼與三盤區(qū)主要開拓大巷相鄰。3303 工作面設(shè)計(jì)兩巷分別為膠帶順槽和回風(fēng)順槽，其中膠帶順槽長(zhǎng)度為1 883 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)度為1 813 m，巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，斷面積18.9 m2，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為230 m。工作面主采3 號(hào)煤層，井下標(biāo)高+560—+690 m，對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高+940—+1 085 m，煤層硬度為1.5 ～2.0，層理發(fā)育中等。煤層賦存傾角2°～6°，呈近水平分布，煤層厚度為3.7 ～4.9 m，平均厚度4.2 m。3 號(hào)煤層頂板主要有灰黑色粉砂巖組成的直接頂和中粒砂巖老頂，直接底為細(xì)粒砂巖，老底為砂巖、砂質(zhì)泥巖等組成。經(jīng)過對(duì)3 號(hào)煤層取樣進(jìn)行瓦斯鑒定，測(cè)得原始煤體相對(duì)瓦斯涌出量為6.13 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為7.71 m3/min，透氣性系數(shù)為0.28 ～0.33 m/（MPa·d）。

2 工作面高位鉆孔布置選擇

高位鉆孔設(shè)計(jì)施工是在工作面現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采取人為措施增加風(fēng)流通道，在開采煤層淺埋深條件下，在巷道一側(cè)施工巷幫鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工大孔徑高位鉆孔經(jīng)采空區(qū)頂板冒落裂隙導(dǎo)通至地面，利用瓦斯密度較小，可懸浮于空氣上層的原理，以及井下采空區(qū)與地表空氣產(chǎn)生的壓差關(guān)系，促使采空區(qū)積聚的高濃度瓦斯經(jīng)過鉆孔通道源源不斷地排出至地面[1-2]。因此，在工作面展開采掘活動(dòng)時(shí)，可有效降低巷道內(nèi)風(fēng)排瓦斯量，減少相鄰采空區(qū)瓦斯通過煤壁向巷道內(nèi)涌出導(dǎo)致的瓦斯?jié)舛壬?，緩解通風(fēng)系統(tǒng)排放瓦斯的壓力，具有顯著瓦斯治理效果。通常情況下，高位鉆場(chǎng)的布置一般選擇在膠帶巷或回風(fēng)巷內(nèi)，但是根據(jù)巷道與相鄰工作面的位置關(guān)系，以及巷道內(nèi)的設(shè)備布置等因素，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工造成一定影響。

2.1 膠帶巷高位鉆場(chǎng)布置方式

在3303 工作面膠帶巷設(shè)計(jì)巷幫鉆場(chǎng)規(guī)格為長(zhǎng)4 m×寬4 m×高3 m，鉆場(chǎng)布置在形成工作面后回采煤壁一側(cè)，在鉆場(chǎng)內(nèi)施工高位長(zhǎng)鉆孔與地面導(dǎo)通相連，為確保瓦斯排放的通路暢通，應(yīng)將鉆孔路徑布置在煤層頂板裂隙發(fā)育地帶內(nèi)。根據(jù)巷道現(xiàn)有條件，為增大鉆孔控制面積，鉆孔應(yīng)呈扇形布置，與巷道掘進(jìn)方向呈現(xiàn)一定夾角，以施工4 個(gè)鉆孔為宜。隨著工作面向外回采推進(jìn)，布置在膠帶巷的高位鉆孔會(huì)出現(xiàn)塌孔、漏氣等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響采空區(qū)瓦斯抽采排放，當(dāng)長(zhǎng)鉆孔遭受破壞，導(dǎo)致功能受阻后，也將縮短鉆孔使用時(shí)間。為了延長(zhǎng)鉆孔發(fā)揮作用時(shí)間，適當(dāng)增大原有鉆孔傾角，但由此導(dǎo)致鉆孔將較長(zhǎng)時(shí)間處在頂板冒落帶區(qū)域，增大塌孔堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，且膠帶巷內(nèi)布置的皮帶、道軌等輔助運(yùn)輸設(shè)施也制約鉆機(jī)施工的活動(dòng)空間，不利于鉆孔調(diào)向作業(yè)。因此，膠帶巷不適于高位鉆孔的施工布置。

2.2 回風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)布置方式

在工作面回風(fēng)巷布置的高位鉆場(chǎng)規(guī)格同樣選用長(zhǎng)4 m×寬4 m×高3 m，由于回風(fēng)巷作業(yè)空間比膠帶巷大，在回風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)內(nèi)可布置5 ～8 個(gè)高位長(zhǎng)鉆孔，施工時(shí)可適當(dāng)減小孔間距和夾角，鉆孔連接采空區(qū)與地面。將鉆場(chǎng)布置在回采煤壁一側(cè)，因作業(yè)空間大，對(duì)鉆孔參數(shù)調(diào)整施工具有較大選擇余地，同時(shí)可便于鋪設(shè)抽采管路采取臨時(shí)瓦斯治理管控措施。因此，回風(fēng)巷相較于膠帶巷更適宜布置高位鉆場(chǎng)。

2.3 高位鉆孔防塌孔套管

為避免鉆孔施工后期出現(xiàn)塌孔，影響瓦斯抽采排放效果，伯方煤礦采用PVC 材質(zhì)管件與抗壓鋼管配合使用，在破碎裂隙帶使用鋼管預(yù)埋件，可有效抵抗高應(yīng)力集中區(qū)域和破碎區(qū)域?qū)︺@孔的擠壓作用，降低塌孔風(fēng)險(xiǎn)，確保瓦斯抽采通路的完整性。經(jīng)過下設(shè)防塌孔套管，未再出現(xiàn)鉆孔擠壓變形現(xiàn)象，延長(zhǎng)了服務(wù)周期，具有顯著防護(hù)效果。

3 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)確定方法

3.1 鉆孔仰角設(shè)計(jì)

為確保瓦斯抽采效果達(dá)到預(yù)期要求，應(yīng)將鉆孔布置在穿過裂隙發(fā)育帶區(qū)域，以便瓦斯抽采留設(shè)足夠流動(dòng)通道，同時(shí)采取措施降低鉆孔廢孔率和塌孔率，提升鉆孔施工質(zhì)量[3]。而煤層頂板經(jīng)過采動(dòng)影響后，在采空區(qū)上方形成“上三帶”，即垮落帶（冒落帶）、裂隙帶和彎曲下沉帶，如何合理布置高位鉆孔，與上三帶的位置關(guān)系具有緊密聯(lián)系，同時(shí)也與離層區(qū)寬度d、卸壓角α 等有關(guān)[4]。上三帶之間位置關(guān)系和相互影響如圖1 所示。

在圖1 中，ABCD 四點(diǎn)組成的網(wǎng)格部分為頂板裂隙帶區(qū)域，由B’至裂隙帶區(qū)域的垂直距離可通過公式計(jì)算：

式中：l'為留設(shè)保護(hù)煤柱高度，45 m；h2為裂隙帶高度，47 m；α 為卸壓角，80°；m為平均煤厚，4.2 m。經(jīng)過帶入計(jì)算可得OB'垂直距離為52.54 m。

以O(shè) 為鉆孔施工原點(diǎn)，γ 代表高位孔施工最大仰角，β 代表高位孔施工最小仰角，根據(jù)式（2）、式（3） 和式（4） 可計(jì)算出最大、最小仰角值。

式中：h1為冒落帶高度，取17 m；d為離層區(qū)域?qū)挾龋?.8 m；l為工作面初次來壓步距，取值30 m。計(jì)算可得高位孔最大仰角γ=39°，最小仰角β=21°。為將高位孔在空間層位更好分布，在回風(fēng)巷暫設(shè)定施工5 個(gè)鉆孔，最大仰角39°，自上而下依次減小仰角設(shè)計(jì)。

3.2 方位角設(shè)計(jì)

為確保高位鉆孔以不同仰角施工時(shí)，在同一扇形平面內(nèi)均能打設(shè)到頂板裂隙區(qū)域，需要通過限定鉆孔施工范圍來確定鉆孔之間的夾角和方位角[5]，因此，根據(jù)式（5） 進(jìn)行計(jì)算：

式中：OD'為D點(diǎn)與水平方向的投影距離，經(jīng)計(jì)算可得距離為50.5 m；OA'為A 點(diǎn)與水平方向的投影距離，經(jīng)計(jì)算可得距離為76.2 m；L為高位孔設(shè)計(jì)孔深，取90 m；ω 為設(shè)計(jì)鉆孔方位角，（°）。

將回風(fēng)巷高位鉆場(chǎng)內(nèi)1 ～5 號(hào)高位孔按照仰角37°、36°、33°、30°和27°進(jìn)行設(shè)計(jì)后，代入式（5） 中得到鉆孔夾角，換算為施工方位角分別為180°、193°、205°、214°和222°，高位孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。由于鉆機(jī)選用型號(hào)為ADR-250型，末端鉆桿直徑為318 mm，在施工期間受到大孔徑和自重影響，可能出現(xiàn)鉆孔偏斜，因此，可對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)適當(dāng)調(diào)整。回風(fēng)巷高位孔施工剖面如圖2所示。

表1 高位孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of high-level hole

圖2 回風(fēng)巷高位孔施工剖面Fig.2 Construction profile of high-level hole in return airway

4 高位鉆孔瓦斯抽采效果分析

為更好檢驗(yàn)高位鉆孔施工后的采空區(qū)瓦斯抽采效果，每天安排通風(fēng)隊(duì)瓦檢員對(duì)高位鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛群图兞康葏?shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并真實(shí)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，將抽采濃度與純量數(shù)據(jù)與工作面回采推進(jìn)度之間的關(guān)系繪制如圖3～圖4 所示。

圖3 高位鉆孔瓦斯?jié)舛菷ig.3 Gas concentration in high-level borehole

圖4 高位鉆孔抽采純量Fig.4 Pure amount of high-level borehole extraction

由圖3、圖4 可知，在工作面向外推進(jìn)過程中，距離切眼不同位置處的高位鉆孔的瓦斯?jié)舛葧?huì)出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸畲笾悼蛇_(dá)到79.3%，觀測(cè)周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)平均值可達(dá)到45.6%；高位鉆孔抽采瓦斯由峰值濃度79.3%衰減到最低26.8%，隨著工作面推進(jìn)整體呈現(xiàn)濃度下降趨勢(shì)，說明采面變化對(duì)鉆孔破壞導(dǎo)致的漏氣影響較嚴(yán)重，直接影響瓦斯抽采效果。而圖4 反映高位鉆孔對(duì)于瓦斯抽采純量的影響關(guān)系和變化規(guī)律。距離切眼29 m 時(shí)抽采純量升高至最大值18.6 m3/min，隨采面推進(jìn)，采空區(qū)距切眼0～70 m 出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，抽采純量整體保持在10.4 ～15.9 m3/min 的高位區(qū)間，相對(duì)穩(wěn)定周期較長(zhǎng)，抽采效果較好。

5 結(jié) 論

（1） 通過高位鉆孔施工地點(diǎn)的選擇分析，最終確定工作面回風(fēng)巷可提供更便利的作業(yè)空間，有利于施工鉆孔時(shí)調(diào)整參數(shù)，具有場(chǎng)地優(yōu)勢(shì)。對(duì)工作面采空區(qū)“上三帶”、離層區(qū)和卸壓角等進(jìn)行分析，計(jì)算得出高位鉆孔仰角施工參數(shù)范圍為21°～39°，并由此得到鉆孔方位角和孔深等設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2） 經(jīng)過回風(fēng)巷高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞康葘?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析：高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸畲笾悼蛇_(dá)到79.3%，高位鉆孔抽采純量具有更長(zhǎng)的穩(wěn)定周期，說明鉆孔完整性得到有效保護(hù)，且抽采純量保持在10.4~15.9 m3/min 的高位區(qū)間，相對(duì)穩(wěn)定周期較長(zhǎng)，抽采效果較好。