胡志偉，董 賀，年 軍

（1．山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原030000；2．煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110000；3．煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

在我國(guó)，解決回采工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題，主要從通風(fēng)和瓦斯抽采2 個(gè)方面入手；但隨著煤礦機(jī)械化程度提高及煤層開(kāi)采向深部延伸，工作面瓦斯涌出強(qiáng)度增大，特別是高瓦斯綜放工作面，單依靠通風(fēng)難以解決工作面回采期間的瓦斯治理問(wèn)題[1-3]。為此，必須從瓦斯抽采入手，增加工作面回采瓦斯治理的研究。目前，我國(guó)煤礦回采工作面常用瓦斯抽采技術(shù)措施主要有煤層預(yù)抽、采空區(qū)埋管抽放、煤層頂板傾向高位鉆孔抽放、高抽巷及煤層頂板走向高位鉆孔抽放瓦斯等技術(shù)措施，或聯(lián)合采用上述措施[4-6]。屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，工作面回采強(qiáng)度大，采用高抽巷措施雖取得較好瓦斯治理效果，但因工程費(fèi)用高，工期長(zhǎng)，長(zhǎng)期會(huì)嚴(yán)重影響礦井采掘生產(chǎn)部署。為此，提出綜放工作面頂板走向高位孔瓦斯抽采工程試驗(yàn)研究。

1 工程試驗(yàn)背景

屯蘭礦為高瓦斯突出礦井，煤巖總厚度為4.49～4.64 m，平均厚度為4.57 m，煤層有益厚度3.32 m；12507 工作面位于南五盤(pán)區(qū)左翼，工作面走向長(zhǎng)度為1 648 m，回采區(qū)段煤層賦存呈向斜，以平均4°的傾角下山，再以平均7°的傾角上山，工作面中部有東大嶺向斜軸部，在向斜軸部附近可能存在瓦斯富集區(qū)。該礦三盤(pán)區(qū)首采工作面22306 回采期間采空區(qū)瓦斯治理措施為煤層頂板瓦斯治理巷進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，瓦斯治理巷位于煤層頂板上方30 m，內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷20 m；經(jīng)工程實(shí)踐，瓦斯治理巷可高效抽采采空區(qū)瓦斯確保煤礦安全生產(chǎn)，但高抽巷存在施工周期長(zhǎng)，工程費(fèi)用高及難以維護(hù)問(wèn)題。為此，在屯蘭礦12507 工作面進(jìn)行煤層頂板走向高位大孔徑瓦斯抽采鉆孔工程試驗(yàn)。

2 工程試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

2.1 綜采面瓦斯來(lái)源理論分析

綜放工作面回采過(guò)程中，根據(jù)其采煤工藝特征可知，位于采煤機(jī)液壓支架后方的煤層上部煤體因采煤操作而破碎，并滾落至采場(chǎng)刮板部位，破碎的煤體加劇煤層瓦斯的解吸并涌現(xiàn)至工作面，這些瓦斯在風(fēng)流作用下，大部分被引流到工作面上隅角處，成為上隅角瓦斯的主要來(lái)源。其次，由于煤層賦存變異系數(shù)大導(dǎo)致開(kāi)采效率低與常規(guī)機(jī)械采煤法，采空區(qū)遺煤較嚴(yán)重，這些遺煤解吸出的游離瓦斯則成為采空區(qū)瓦斯的源頭；此外，隨著工作面前移、推進(jìn)，采空區(qū)逐漸被上覆垮落的無(wú)規(guī)則狀塊狀巖石填充密實(shí)，這些塊石之間的相交形式為面于面、點(diǎn)與面或點(diǎn)與點(diǎn)的物理接觸關(guān)系。因此，采空區(qū)必然存在大量的無(wú)規(guī)則狀裂隙空間，這些裂隙空間不僅為瓦斯賦存提供所需的空間，同時(shí)成為采空區(qū)瓦斯涌出并流向上隅角的流通通道[7-8]。

2.2 高位孔瓦斯抽采機(jī)理

隨煤層開(kāi)采、工作面推進(jìn)，原始煤體對(duì)上覆巖層的支撐力消失，當(dāng)采空區(qū)形成一定規(guī)模范圍時(shí)，巖石因本身強(qiáng)度不足以抵抗自重及其上覆巖層壓力而發(fā)生破壞和移動(dòng)，在豎向方向的破壞情況不同可劃分為跨落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，其橫向方向的破壞情況可劃分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)[9]。綜合橫向與豎向破壞區(qū)域特征講，進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷與工作面的交錯(cuò)拐點(diǎn)后方煤壁支撐區(qū)段為采空區(qū)的煤壁支撐影響區(qū)和斷裂帶、跨落帶的重疊影響區(qū)域。該區(qū)段垮落的巖石未能完全嚴(yán)實(shí)，尚存在大量瓦斯可游離賦存的空間，由于瓦斯密度小，積聚的瓦斯在浮力作用下一部分會(huì)上升至煤層頂板斷裂帶的巖層裂隙內(nèi)，剩余部分則在風(fēng)流引力作用下，在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，風(fēng)流易進(jìn)入從而致使采空區(qū)瓦斯涌出流動(dòng)；在回風(fēng)巷一側(cè)瓦斯則易被風(fēng)流帶出，成為上隅角瓦斯的一部分。因此，通過(guò)在回風(fēng)巷處煤層頂板一定高度施工鉆孔至上述重疊區(qū)域，可源源不斷將采空區(qū)瓦斯抽出，避免回風(fēng)巷上隅角瓦斯積聚，解決綜采工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯?wèn)題。

3 試驗(yàn)方案

3.1 高位孔層位選擇

煤層頂板走向大孔徑長(zhǎng)距離高位鉆孔為抽采采空區(qū)瓦斯、解決綜放工面上隅角瓦斯?jié)舛冗^(guò)高而設(shè)計(jì)。根據(jù)上述高位孔瓦斯抽采理論分析可知，工作面采空區(qū)瓦斯主要賦集于采空區(qū)斷裂帶內(nèi)；雖然采空區(qū)跨落帶也職聚大量瓦斯，且其與斷裂帶之間相互導(dǎo)通，但在跨落帶形成過(guò)程中，容易發(fā)生垮落的巖石將位于跨落帶內(nèi)的鉆孔破壞或堵塞，以至影響鉆孔瓦斯抽采效果。此外，斷裂帶上部巖層裂隙發(fā)育不均勻，可能存在裂隙未發(fā)育的區(qū)域，裂隙已發(fā)育區(qū)域存在裂隙發(fā)育不充分，巖層透氣性差，不能形成有效的瓦斯流通通道。鑒于此，走向高位孔層位應(yīng)選擇位于采空區(qū)上覆圍巖斷裂帶的中下部。根據(jù)相關(guān)研究[10-11]，采空區(qū)上覆圍巖斷裂帶高度HL計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)上覆圍巖斷裂帶高度計(jì)算公式

借鑒屯蘭礦北三盤(pán)區(qū)首采工作面22306 回采期間，通過(guò)采用高抽巷進(jìn)行工作面回采期間上隅角瓦斯抽采治理措施，經(jīng)高抽巷已完工程實(shí)際考察，2#煤層工作面回采期間采空區(qū)斷裂帶層位為2#煤層頂板以上15～35 m 之間，高抽巷在煤層頂板28 m 處布置時(shí)瓦斯抽采效果較好，鑒于此，該試驗(yàn)鉆孔層位選取于2#煤頂板上方12～30 m 之間。

3.2 高位孔水平位置確定

考慮采空區(qū)三帶橫向與豎向在回風(fēng)巷煤壁支撐區(qū)域分布特征，高位走向孔水平位置應(yīng)選擇位于距回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)部位一定距離，即煤壁支撐影響區(qū)與斷裂帶交匯重疊區(qū)域。鉆孔位于該區(qū)域不僅可保障鉆孔成孔質(zhì)量，同時(shí)位于回風(fēng)巷巷道應(yīng)力集中影響區(qū)域外，有利瓦斯高效抽采。由于斷裂帶高度沿采空區(qū)橫向方向分布近似拋物線狀態(tài)，即工作面中心區(qū)域附近高度最大，進(jìn)、回風(fēng)巷處高度最小，因此，鉆孔距回風(fēng)巷水平間距與斷裂帶高度分布密切相關(guān)。在其位置選擇時(shí)，應(yīng)保證鉆孔距工作面高度與鉆孔距回風(fēng)巷水平間距的比值小于采區(qū)巖石垮落角正切值，即α

圖1 高位孔終孔布置示意圖

3.3 鉆場(chǎng)及鉆孔施工

工作面走向高位孔為定向拐彎鉆孔，鉆孔施工設(shè)備為ZDY-12000L 型鉆機(jī)，鉆機(jī)成孔過(guò)程可通過(guò)人為操作來(lái)改變鉆孔軌跡；鉆孔施工一般要求鉆孔為具有一定仰角（3°～5°）的爬坡孔，其首先施工小孔徑導(dǎo)向鉆孔，而后再用大孔經(jīng)鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，這樣有利鉆孔排渣及有效排出鉆孔積水，提高鉆孔成空率，同時(shí)降低后期抽采過(guò)程鉆孔堵孔率；根據(jù)12507工作面瓦斯涌出預(yù)測(cè)及工作面風(fēng)排瓦斯情況，12507工作面風(fēng)量為1 560 m3/min，采用通風(fēng)可以稀釋的瓦斯量為3.5 m3/min，抽采可解決的瓦斯為21.69 m3/min，其中采空區(qū)抽放瓦斯量為6 m3/min。為保障采空區(qū)瓦斯抽采量達(dá)標(biāo)，12507 工作面高位鉆孔孔徑選取215 mm，鉆孔長(zhǎng)度600 m，高位孔施工鉆場(chǎng)間距550 m，鉆孔施工布置示意圖如圖2。

圖2 鉆孔施工平面布置示意圖

3.4 鉆孔封孔與抽采監(jiān)控測(cè)量

為保障高位孔瓦斯抽采流量及瓦斯抽采率，一是要提高鉆孔質(zhì)量，二是實(shí)現(xiàn)鉆孔封孔效果好。由于大孔經(jīng)走向高位孔施工工序?yàn)橄仁┕?13 mm 的小孔徑導(dǎo)向孔，然后用215 mm 的擴(kuò)孔鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔，因此該施工工藝可保障鉆孔成孔質(zhì)量高、鉆孔孔徑均能達(dá)到設(shè)計(jì)值。工程試驗(yàn)鉆孔封孔材料采用聚氨酯，待鉆孔施工完畢，用聚氨酯將DN25 mm 鐵管封堵各高位鉆孔，鉆孔封孔深度介于18～20 m 之間，鐵管外漏端頭均設(shè)有撿漏計(jì)量調(diào)節(jié)裝置，從而進(jìn)一步降低各孔之間的相互影響，保障鉆孔瓦斯抽采成功率。待封孔完畢，再用軟管將鐵管與連接到φ325 mm 抽采管路中，φ325 mm 抽采管路通過(guò)井下φ711 mm 抽采管路與地面φ813 mm 抽采管路連接，這樣可保障鉆孔抽采負(fù)壓高。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 高位孔瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)分析

12507 工作面切眼距鉆場(chǎng)1 距離為550 m，用時(shí)187 d 回采至鉆場(chǎng)1；在工作面回采期間，每天對(duì)鉆場(chǎng)1 各高位鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行觀測(cè)統(tǒng)計(jì)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析，12507 工作面距鉆場(chǎng)1 間距250～350 m期間，鉆孔瓦斯抽采平均濃度分布曲線如圖3，高位孔瓦斯抽采平均流量如圖4。

圖3 鉆孔瓦斯抽采平均濃度分布曲線

由圖4 可以看出，工作面走向高位孔瓦斯抽采平均濃度介于81.9%～84.5%，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)為3.17%；鉆孔平均瓦斯抽采純量為4.54～7.34 m3/min；這說(shuō)明在用聚氨酯封孔18 m 深情況下，走向高位孔對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采效果較好。其次，由圖4 瓦斯抽采純量與混合量曲線變化趨勢(shì)可知，在鉆孔平均瓦斯抽采濃度變化不大情況下，鉆孔平均瓦斯抽采純量與混合量成正相關(guān)關(guān)系。

圖4 高位孔瓦斯抽采平均流量

4.2 上隅角瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)分析

回風(fēng)巷上隅角瓦斯由瓦斯傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，可通過(guò)監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)；由于該數(shù)據(jù)為連續(xù)的時(shí)刻數(shù)據(jù)值，為真實(shí)有效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)將每天統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按如下方法進(jìn)行處理。

式中：Xi為第i 天上隅角瓦斯?jié)舛?；Xi（t1，t2，t3）為第i 天上隅角瓦斯?jié)舛忍卣髦?，t1、t2、t3為第i 天的1/3時(shí)刻、2/3 時(shí)刻、1 時(shí)刻；xmin、xeav、xmax為第i 天上隅角瓦斯?jié)舛茸钚≈?、平均值、最大值?/p>

根據(jù)式（1）對(duì)12507 工作面距鉆場(chǎng)250 ～350 m區(qū)間回采時(shí)上隅角瓦斯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D5。

圖5 工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

由圖5 可知，12507 綜放面回采回采至鉆場(chǎng)250～350 m 期間，僅出現(xiàn)1 次上隅角瓦斯?jié)舛瘸?，?.7%；在其余時(shí)段，回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛日w波動(dòng)介于0.02%～0.92%，每天最大瓦斯?jié)舛冉橛?.3%～0.92%，每天平均瓦斯?jié)舛冉橛?.3%～0.77%。由此不難看出，高位走向鉆孔可有效預(yù)抽采空區(qū)瓦斯，解決工作面放頂煤期間因大量煤體解吸使瓦斯涌向回風(fēng)巷上隅角，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

1）綜采工作面采空區(qū)瓦斯易賦集在回風(fēng)巷煤壁支撐區(qū)及離層區(qū)與斷裂帶重疊交錯(cuò)地帶，頂板走向大孔徑高位鉆孔終孔位于該區(qū)段有較好瓦斯抽采效果，有利解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題。

2）屯蘭礦走向高位孔距煤層頂板12～30 m，內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷17 m 情況下，高位孔抽采空區(qū)瓦斯?jié)舛绕骄颠_(dá)80%以上，鉆孔瓦斯抽采純量平均值在4.5 m3/min 以上；可有效保障高瓦斯突出礦井綜采工作面正?；夭善陂g上隅角瓦斯不超1%。