綜放工作面頂板水平長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

侯國培 郭陽陽 胡延偉

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590）

瓦斯抽采作為防止礦井瓦斯災害的根本方法在瓦斯礦井中得到全面應用，頂板水平長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)是治理工作面采空區(qū)瓦斯的一項重要技術(shù)措施，在實際應用中取得了良好的效果[1]。為了使這一技術(shù)更加切實有效地治理瓦斯災害，合理設(shè)計其技術(shù)參數(shù)，對實現(xiàn)瓦斯礦井安全高效開采具有重要的現(xiàn)實意義。

1 礦井概況

唐口礦井位于山東省濟寧市西郊，礦井2006年1月投入生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力500萬t。經(jīng)煤科總院沈陽研究院鑒定，目前開采的3煤煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，自然發(fā)火期為69～159d。礦井為低瓦斯礦井。

6305工作面是630采區(qū)的首采工作面，工作面煤層平均厚度為10.08m。該工作面采空區(qū)瓦斯災害治理的技術(shù)方法是皮順高位鉆孔及隅角埋管抽放、頂板水平長鉆孔綜合治理。

2 6305工作面瓦斯情況

由于6305工作面開采的3煤層無上下鄰近煤層的開采，所以該工作面涌出的瓦斯來自本煤層。對6305工作面開采層瓦斯涌出量進行計算預測，計算出6305工作面煤層原始瓦斯含量為2.58m3/t，殘余瓦斯含量為0.67m3/t，工作面相對瓦斯涌出量為1.49m3/t。

6305工作面的設(shè)計日產(chǎn)量為10000 t，設(shè)計年產(chǎn)量為3.30Mt。現(xiàn)場測得該工作面的瓦斯涌出量為1.55m3/t，供風量為29.35m3/s。若不采取任何抽采措施，經(jīng)計算該工作面容許的最大年產(chǎn)量為2.80Mt，根據(jù)規(guī)定，當回采工作面的瓦斯涌出量高于通風能力所允許的瓦斯涌出量單靠通風稀釋無法達到設(shè)計產(chǎn)量時，那么瓦斯抽采就是必要的。結(jié)合計算的結(jié)果，認為6305工作面若要達到設(shè)計產(chǎn)量，則必須采取瓦斯抽采措施。因此，需要對唐口煤礦6305工作面頂板水平長鉆孔抽采參數(shù)進行設(shè)計。

3 6305工作面頂板水平長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

3.1 頂板水平長鉆孔瓦斯抽采作用原理

隨著采煤工作面的推進，采空區(qū)四周的原有應力平衡遭到了破壞，圍巖應力發(fā)生轉(zhuǎn)移和重新分布。在新的應力作用下，采空區(qū)的圍巖自下而上發(fā)生不同的變形、移動和破壞。根據(jù)錢鳴高院士提出的“巖層控制的關(guān)鍵層理論”[2]，煤層開采后上覆巖層采動裂隙區(qū)可劃分為“橫三區(qū)”和“豎三帶”。“橫三區(qū)”即沿工作面推進方向在工作面進風巷和回風巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)；“豎三帶”即采空區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。煤層開采后巖層移動特征如圖1所示。

圖1 回采工作面上覆巖層沿工作面推進方向分區(qū)

煤層開采后在上述區(qū)域的巖層中形成兩類裂隙：離層裂隙和豎向破斷裂隙。離層裂隙隨著工作面推進從開切眼開始逐漸增大，其中采空區(qū)中部離層裂隙最發(fā)育，但隨著工作面開采距離不斷增大，采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實，而采空區(qū)上下兩側(cè)由于煤壁的支撐作用，離層裂隙仍較發(fā)育，這樣采空區(qū)四周形成一個連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，便形成了“O”形圈[3-4]。

采空區(qū)瓦斯運移的動力有兩種，一是由于瓦斯的密度相對空氣的密度小，從而使得瓦斯有向采空區(qū)上方運移的動力；二是由于進風巷與回風巷存在著壓力差，使得瓦斯有向回風隅角匯集的動力，因此在靠近回風巷一側(cè)的采空區(qū)上方裂隙帶是瓦斯富集的場所[5-6]。

根據(jù)采空區(qū)的“O”形圈理論，如果從工作面回風順槽沿煤層走向在煤層頂板向采空區(qū)上方施工水平長鉆孔，抽放采空區(qū)頂板裂隙或冒落空間內(nèi)積存的高濃度瓦斯，就能夠切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道，改變采空區(qū)流場分布，減少采空區(qū)瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯積聚。水平長鉆孔的抽放負壓，加速了裂隙帶內(nèi)瓦斯的流動，從而使水平長鉆孔能夠抽出高體積分數(shù)的瓦斯，使得匯集到上隅角的瓦斯大大減少。

分析采空區(qū)上覆巖層自下而上的冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三個區(qū)域，若把水平長鉆孔布置在冒落帶內(nèi)，隨著工作面的推進，該區(qū)域因受回采風量的影響，瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定，抽出的瓦斯?jié)舛鹊停榉帕啃。Ч睿蝗舭雁@孔布置在彎曲下沉帶，巖層保持原有完整性，裂隙不夠發(fā)育，裂隙之間連通性差，很難抽出大量瓦斯。因此，應該將水平長鉆孔布置在裂隙帶。裂隙帶又可分為嚴重斷裂帶、一般斷裂帶和微小斷裂帶。而裂隙帶下部的嚴重裂隙帶則是布置高位鉆孔的最佳區(qū)域。

3.2 頂板水平長鉆孔參數(shù)設(shè)計

3.2.1 鉆場的設(shè)計

（1）鉆場布置地點的選擇

從采空區(qū)漏風流流線可知，回風隅角及其附近是漏風流匯集的地方，因此水平長鉆孔應布置在回風巷道一側(cè)，沿走向在煤層頂板向采空區(qū)上方施工鉆孔，抽放采空區(qū)頂板裂隙和冒落空間的高濃度瓦斯。

（2）鉆場參數(shù)設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，設(shè)計了2個鉆場，編號#1～#2。

3.2.2 鉆孔的設(shè)計

（1）鉆孔有效高度范圍

經(jīng)計算，確定鉆孔距頂板有效高度為24.10～50.23m。

（2）鉆孔參數(shù)設(shè)計

6305工作面開采的煤層比較穩(wěn)定，所以#1～#2鉆場施工鉆孔時，施工工藝與具體參數(shù)一致。每個鉆場施工3組鉆孔，每個鉆孔的詳細參數(shù)見表1。

表1 鉆孔詳細參數(shù)

4 瓦斯抽采效果分析

現(xiàn)場測量的時間為2016年11月1日至12月20日，分別對6305工作面的1#～3#頂板水平長鉆孔進行為期50d左右的瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集。選取20d代表性的瓦斯抽采數(shù)據(jù)繪制成條形圖、折線圖（如圖2～5所示）分析瓦斯抽采的效果。

圖2 瓦斯抽采平均濃度統(tǒng)計圖

圖3 瓦斯抽采平均純量統(tǒng)計圖

圖4 回風隅角瓦斯?jié)舛?/p>

根據(jù)圖示抽采數(shù)據(jù)可以看出：

（1）1#～3#鉆孔瓦斯抽采平均濃度分別為12.36%、18.39%、15.21%，瓦斯抽采平均純量分別為 4.03m3/min、5.22m3/min、4.56m3/min。50d內(nèi)抽采狀態(tài)比較穩(wěn)定，并且保持著較高的抽采濃度。

（2）1#～3#鉆孔回風隅角平均瓦斯?jié)舛确謩e為0.42%、0.39%、0.41%，回風流平均瓦斯?jié)舛确謩e為0.15%、0.14%、0.14%，50d內(nèi)回風隅角和回風巷的瓦斯?jié)舛确舷嚓P(guān)規(guī)定的要求。

圖5 回風流瓦斯?jié)舛?/p>

5 結(jié)論

（1）對唐口煤礦6305工作面的瓦斯來源進行了分析，并對該工作面的瓦斯涌出量進行了預測。結(jié)合計算的結(jié)果和6305工作面的生產(chǎn)設(shè)計，認為該工作面需要采取瓦斯抽采措施。

（2）充分考慮各種瓦斯抽采技術(shù)的特點后，決定在該工作面施工頂板水平長鉆孔治理瓦斯災害，并對頂板水平長鉆孔參數(shù)進行了設(shè)計。經(jīng)分析計算，整個皮帶順槽共布置2個鉆場，每個鉆場施工3組鉆孔，鉆孔的終孔高度分別為頂板以上26m、42m、48m。

（3）在6305工作面生產(chǎn)現(xiàn)場布置設(shè)施進行現(xiàn)場實測，結(jié)果表明測量期間，鉆孔的抽采情況穩(wěn)定且保持了較高的抽采濃度；該工作面的瓦斯也得到有效治理，回風隅角與回風巷的瓦斯?jié)舛染闯蓿徽f明所做的頂板水平長鉆孔的參數(shù)設(shè)計是合理的。