頂板走向長鉆孔與高抽巷瓦斯治理技術分析

蔣 璋

(山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024)

工作面回采期間的瓦斯一直威脅著煤礦安全生產，由于開采范圍、強度大，周邊圍巖受采動壓力影響明顯，同一礦井回采面瓦斯涌出量相比其他地點大，因此回采面瓦斯治理直接關系到礦井的安全高效生產，合適的瓦斯治理方式可以帶來巨大的經濟效益和安全效益。目前治理回采面上鄰近層瓦斯長見、高效的兩種方式為頂板走向長鉆孔和高抽巷，兩者運用的基本原理相同，但在施工工藝、適應條件、經濟成本、抽采效果等方面存在差異。下面對屯蘭礦2#煤層工作面運用兩種方法的情況進行對比分析。

1 頂板走向長鉆孔瓦斯治理技術

1.1 工作面概況

12407工作面位于南四盤區，東接南四回風補巷，西接南四盤區邊界進風巷，南與頭南峁斷層相鄰，北與12405采空區相鄰。工作面回采2#煤，平均厚度為2.35 m，工作面走向長1 800 m，傾向長190 m，可采儲量130.5萬t.

2#煤層原始瓦斯含量最大為13.47 m3/t，經過本煤層預抽以后，2#煤層殘余瓦斯含量4～5.7 m3/t,其上覆煤層為02#煤層，層間距9～10 m，下覆煤層為4#煤層，層間距9～14 m.

12407工作面采用膠帶順槽進風，軌道順槽回風，工作面配風1 600 m3/min. 回采期間工作面回風流最大瓦斯濃度為0.4%，工作面最大風排瓦斯量為6.4 m3/min.

1.2 頂板走向長鉆孔布置方式

在12407軌道巷(回風順槽)共布置3個澳鉆鉆場，每個鉆場布置7個定向高位長鉆孔，鉆孔設計長度450 m，鉆孔終孔水平間距5 m，鉆孔距工作面垂高控制在工作面采高的10～12倍，在20～27 m，最外緣鉆孔內錯軌道巷10 m，通過3個鉆場接替壓茬，保證工作面連續抽采，沿軌道順槽走向鉆進。鉆場從工作面切眼往外依次編號為1#、2#、3#，每個鉆場鉆孔由里往外依次編號為1#—7#.頂板走向長鉆孔布置示意圖見圖1.

圖1 頂板走向長鉆孔布置示意圖

1.3 頂板走向長鉆孔抽采效果分析

本次研究選1#鉆場數據進行分析。正常回采期間工作面瓦斯抽采總量為12.17 m3/min，風排量為6.4 m3/min，工作面抽采率65.5%，采用本煤層、上下鄰近層、采空區綜合瓦斯抽采方法。頂板走向長鉆孔在正常回采期間大部分時間整體濃度維持在30%左右，抽采量整體穩定在3～4 m3/min，通過對頂板走向長鉆孔進行跟蹤觀測：在工作面未回采前澳鉆單孔瓦斯濃度保持在50%～90%，單孔抽采混合量為0.09～0.16 m3/min，此時抽采濃度高、流量小的特點主要是由于極少瓦斯和空氣通過煤層頂板原生裂隙和孔口段進入鉆孔內導致的。當工作面推過10～20 m時，澳鉆鉆場瓦斯濃度開始下降，混合量開始大幅上升，尤其是3#—6#孔(垂高均在20 m)，瓦斯濃度及抽采量變化明顯，單孔濃度均下降到20%～30%，單孔混合量能上升到1.0～1.5 m3/min.隨工作面繼續推進，1#、2#、7#孔(垂高在25～27 m)抽采效果開始顯現，單孔瓦斯濃度保持在40%～50%，其單孔抽采純量最大提高到0.76 m3/min，瓦斯抽采效果最好。由于抽采鉆孔是在軌道巷開口往上爬升施工，隨著工作面的進一步推進，其所有鉆孔垂高逐漸降低，與采空區垮落帶逐步接近，抽采鉆孔濃度逐步下降，混合量不斷增加，只有合理調控負壓和瓦斯濃度，才能得到相對穩定的瓦斯抽采量。

2 高抽巷瓦斯治理技術

2.1 工作面概況

12501工作面位于南五盤區，西北與南五軌道巷和南五膠帶巷相接，東北與南五采區相鄰，東南與土地溝斷層保護煤柱相接，西南與12503工作面相鄰。工作面走向長度為1 750 m，傾斜長度為200 m. 工作面同樣回采2#煤，平均厚度2.98 m.

工作面原始瓦斯壓力為2.14 MPa，原始瓦斯含量為12.7 m3/t，煤層透氣性系數為1.62 m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯衰減系數為0.003 1 d-1，屬一般可抽采煤層。

工作面膠帶順槽進風，軌道順槽回風，工作面配風量2 300 m3/min，回采期間工作面回風流最大瓦斯濃度為0.38%，工作面最大風排瓦斯量為8.74 m3/min.

2.2 高抽巷布置方式

12501高抽巷布置在軌道巷(回風順槽)上方45 m，內錯軌道巷21 m，高抽巷長度為730 m，服務于工作面回采中后期， 通過在巷道口預埋管封閉抽采。高抽巷布置示意圖見圖2.

圖2 高抽巷布置示意圖

2.3 高抽巷抽采效果分析

12501工作面抽采瓦斯總量為25.82 m3/min，風排瓦斯量為8.74 m3/min，工作面抽采率為75%，采用本煤層、上下鄰近層、采空區綜合瓦斯抽采方法，其中高抽巷在服務期間(2017年3月中旬—8月上旬)平均抽采量17.74 m3/min，占抽采總量69%，根據4—7月高抽巷現場實測數據繪制的曲線見圖3,4.

圖3 高抽巷4—7月瓦斯濃度走勢圖

圖4 高抽巷4—7月瓦斯抽采量走勢圖

由圖3,4可看出：隨著工作面的正常推進，高抽巷瓦斯抽采濃度大部分時間都能穩定在30%以上，只是從6月下旬開始逐漸回落到20%上下，且最高峰時瓦斯抽采濃度已超過50%，高抽巷瓦斯抽采量相當長時間內能穩定控制在16～18 m3/min，可見高抽巷抽采效果明顯。但是在對高抽巷進行高效抽采的同時，由于高抽巷抽采混合量大，抽采系統卸壓嚴重，導致工作面軌道巷及10502工作面多條順槽抽采點負壓由原來的30.66 kPa下降到13.33 kPa. 抽采負壓的降低導致本煤層瓦斯抽采量下降，部分單孔積水嚴重，造成抽采系統的不完善。因此，高抽巷的選擇需要對礦井整個抽采系統進行考量。

3 兩種方法綜合對比

以上分別分析了頂板走向長鉆孔瓦斯治理與高抽巷瓦斯治理的技術參數、布置方式和實踐效果，下面對兩種方法進行對比分析：

3.1 經濟成本

山西焦煤集團公司2014年高、突礦井瓦斯治理成本測算結果：屯蘭礦澳鉆定向鉆孔(頂板走向長鉆孔由澳大利亞VLD-1000型定向鉆機施工)施工平均成本為820元/m，高抽巖巷(規格3 m×3 m)施工平均成本為8 100元/m. 為了直觀對比兩種方法的經濟成本，現統一以走向長度為1 000 m的工作面為例進行成本計算說明，施工頂板走向長鉆孔，一般一個鉆場設計3～7個孔，本次以7個孔為例，需要施工兩組鉆場，每個鉆場鉆孔長度為500 m，總施工進尺為7 000 m，總費用為574萬元；高抽巷一般設計長度比工作面走向長度略短(工作面初采初放期間老頂垮落一般在回采20～30 m之后)，本次施工一條完整的高抽巷按980 m計算，總費用為793.8萬元，兩者相差219.8萬元。考慮不同地域、不同地質條件、不同勞動組織方式等因素，一個工作面高抽巷的成本費用大約是頂板走向長鉆孔的1.5～3倍。

3.2 施工工期

屯蘭礦頂板走向長鉆孔正常施工速度為70～80

m/天，按75 m計算，同樣以1 000 m工作面為例，一臺澳鉆施工完2個鉆場14個鉆孔共7 000 m進尺，理論需要93.3天，再考慮期間鉆機搬家等情況，大約需要100天；高抽巖巷小斷面(規格3 m×3 m)一般采用炮掘方式，正常掘進速度為3～4 m/天，取3.5 m計算，施工一條980 m長的巷道大約需要280天，兩者相比工期上相差接近3倍。由此可見，頂板走向長鉆孔具有施工周期短的特點，可以一定程度上緩解礦井瓦斯治理與生產銜接緊張的局面。

3.3 抽采效果

通過對屯蘭礦12407和12501兩個工作面采用兩種方法的實際抽采效果分析可知：兩種方法在瓦斯抽采濃度上均能達到30%左右，保持較高的抽采濃度，但抽采量上存在較大差異，頂板走向長鉆孔(7個孔)抽采總量大約3～4 m3/min，而高抽巷平均抽采量在17.7 m3/min. 因此，高抽巷抽采效果顯著。

3.4 其 他

高抽巷瓦斯治理技術在施工上能實現與工作面在時間和空間上的隔離，不影響工作面正常作業；對于瓦斯利用的礦井，可以最大限度地供給瓦斯。但高抽巷瓦斯治理技術相比于頂板走向長鉆孔瓦斯治理技術，礦井抽采系統整體要求較高，需要瓦斯泵具備足夠的富余抽采能力，否則會影響其他地點正常抽采。

4 結 語

對比分析了兩種方法的優劣勢，礦井在選擇任何一種瓦斯治理方法時，都必須要結合自身內在因素和外在條件進行綜合考量，最終要選擇一種最實用有效的方法。從根本上治理瓦斯的角度出發，對于回采時絕對瓦斯涌出量超過20 m3/min以上的工作面應當采用高抽巷的方式治理瓦斯。