基于治風理念的穿壁鉆孔抽采措施探討

魏引尚，王奕博，賈玉泉，楊 偉，張普選

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727301)

0 引言

紅石巖煤礦位于陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)南川河西岸的曹家峪村，其礦井瓦斯相對涌出量為2.72 m3/t，礦井瓦斯絕對涌出量6.28 m3/min。其12409工作面按照原有經(jīng)驗抽放瓦斯時發(fā)現(xiàn)，上隅角埋管抽采瓦斯的措施以及移動抽采泵站抽采流量不足以解決上隅角瓦斯超限現(xiàn)象的問題。因此，礦井已計劃并建成地面抽放泵站以解決抽采能力不足的問題，并在實踐生產(chǎn)的過程中總結發(fā)現(xiàn)了該瓦斯積聚現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是外部漏風和內(nèi)部漏風共同作用下漏風量較大引起的。結合大量的工程實踐資料發(fā)現(xiàn)[1-6]，學者們在治理上隅角瓦斯超限問題時，大多是以治理內(nèi)部漏風為出發(fā)點，以抽采瓦斯?jié)舛葹橹卫砗诵模瑢τ谝蛲獠柯╋L和內(nèi)部漏風共同造成的漏風量過大而導致的上隅角瓦斯積聚的問題如何治理，論述較少。通過對紅石巖煤礦漏風來源的分析發(fā)現(xiàn)，治理12409工作面瓦斯積聚現(xiàn)象的治理核心在于漏風。因此，將以治理漏風為出發(fā)點，結合工作面實際情況，提出并論述基于治風理念的穿壁孔抽采措施在治理該類型煤礦的可行性。

1 12409工作面采空區(qū)漏風分析

對于大多數(shù)U型工作面，由于內(nèi)部漏風的緣故，工作面進風巷測(始端)到工作面回風巷側(末端)的沿程風量逐漸變化而非定值，工作面進風巷(始端)的風量和工作面回風巷側(末端)的風量并不相等，屬于正壓漏風狀態(tài)。

Q進=PQ回

(1)

式中：P—風量比，正壓漏風時P>1，負壓漏風時P<1。

進入工作面的風流一部分沿著工作面向工作面回風側流動，另一部分漏進采空區(qū)，并伴隨著采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，沿著扇形路徑，向工作面回風側流動。并且由于瓦斯的密度比空氣小，且上隅角附近由于風流方向的變化，形成了一個流速較低的渦流區(qū)，從而造成了瓦斯在上隅角處的大量積聚。

但此種分析方式的缺陷在于并未充分考慮到外部漏風對工作面上隅角瓦斯的影響性。對于大多數(shù)U型工作面，外部漏風帶來的瓦斯在抽采設計中往往忽略不計入考量，但當外部漏風達到了一定的漏風量以后，則需要針對內(nèi)部漏風和外部漏風重新進行實地分析，制定適宜的抽采措施。

對于采空區(qū)漏風的來源一般分為內(nèi)部漏風和外部漏風。根據(jù)郭玉森學者在采空區(qū)與周圍巷道連通關系中的闡述[7]，可將采空區(qū)漏風簡化表示為一個“兩源一匯”的模型，如圖1所示。其中A為內(nèi)部漏風，B為外部漏風，C為上隅角處。

圖1 “兩源一匯”模型

風流沿著進風巷向回風巷途經(jīng)工作面流動時，一部分風流從工作面進風巷側涌入采空區(qū)，這部分風流是造成該工作面內(nèi)部漏風的主要來源。內(nèi)部漏風附含的瓦斯一部分來源于開采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分來源于采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯涌出包括未采下分層卸壓后涌出的瓦斯、丟煤解吸的瓦斯、鄰近層及圍巖涌出的瓦斯。依據(jù)陜西省煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)督管理局對紅石巖礦井瓦斯等級鑒定結果可知，其礦井瓦斯相對涌出量2.72 m3/t，瓦斯絕對涌出量6.28 m3/min，以及多年來紅石巖煤礦生產(chǎn)報告資料顯示，上隅角瓦斯超限問題集中出現(xiàn)在了煤礦開采的中后期，此時工作面配風量同比前期變化不大。由此可證，上隅角瓦斯超限問題與內(nèi)部漏風并沒有直接的邏輯關系。

12409工作面采空區(qū)附近存在著“老窯”，是造成該工作面外部漏風的主要來源，且位置無法確定。經(jīng)現(xiàn)場多次測定，12409工作面上隅角近采空區(qū)側的漏風量約為180 m3/min。經(jīng)翻閱資料表明，該礦在同一采區(qū)對12404工作面，12405工作面根據(jù)其瓦斯涌出量而選型的臨時移動抽放泵，最大抽采量僅為55 m3/min。由此可見，對比同一采區(qū)已采工作面，12409工作面漏風量的突然增大，與外部漏風存在密不可分的聯(lián)系。

2 治風理念及措施

2.1 治風理念

根據(jù)工程實踐需要，以及外部漏風源位置的不確定性，采用現(xiàn)場實踐的方式分析選擇治理上隅角瓦斯積聚問題的側重點。經(jīng)與礦方溝通，在現(xiàn)有12409工作面超前支護前在巷道頂板位置以間隔5 m的距離，依次打入3組鉆孔(1組5個鉆孔)，終孔點落入采空區(qū)裂隙帶內(nèi)。測得抽采管道內(nèi)混合流量45 m3/min，混合瓦斯?jié)舛?%左右，工作面近采空區(qū)側的漏風量約為140 m3/min。此時上隅角瓦斯?jié)舛燃s為1.9%，仍處于超限狀態(tài)。由此可知，以傳統(tǒng)方式抽采采空區(qū)高濃度瓦斯以達到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆绞皆谠撁旱V效果甚微。

因此，針對這種情況，治理該煤礦12409工作面上隅角瓦斯超限問題的核心在于治風。可構建一個“兩源兩匯”的模型，如圖2所示，其中A為內(nèi)部漏風，B為外部漏風，C為上隅角處，D為抽采鉆口處?？紤]到外部漏風源位置的不確定因素，通過在上隅角附近處形成一個具有局部負壓特性的漏風匯(抽采鉆口處)，從而減少向上隅角處流去的漏風量，從而達到治理上隅角瓦斯積聚的效果。

根據(jù)以上對紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風來源的分析，并基于“兩源兩匯”的治理模型，提出以下治風理念。

圖2 “兩源兩匯”模型

根據(jù)能量守恒定律以及礦井瓦斯運移特性，在上隅角近采空區(qū)處構建的漏風匯(抽采鉆孔)的漏風量D近似滿足式(2)。

QA+QB=QC+QD

(2)

式中：QA—內(nèi)部漏風，m3/min；QB—外部漏風，m3/min；QC—上隅角處漏風量，m3/min；QD—漏風匯風量，m3/min。

對于U型工作面，采空區(qū)向工作面上隅角處涌出的瓦斯量與其內(nèi)外壓差的平方有關[8-10]，當通過在上隅角附近處設置抽采鉆頭抽采瓦斯時，瓦斯抽放的強度會影響上隅角附近的瓦斯流向。即在治理該煤礦12409工作面時，當抽采鉆孔處的抽采風量QC大于外部漏風量QB時，可以消除由外部漏風帶來的臨近層以及采空區(qū)深部瓦斯，并由抽采鉆孔處引排；當抽采鉆孔處的抽采風量QC大于外部漏風量QB與內(nèi)部漏風量QA的總和時，可使得抽采鉆孔處相對于上隅角處形成一個局部負壓區(qū)，即原流從上隅角的外部漏風和內(nèi)部漏風向抽采鉆孔處流去，從而消除由漏風造成的上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象。

2.2 治理措施

對于紅石巖煤礦12409工作面存在的采空區(qū)漏風量較大，且現(xiàn)有抽采措施效果不足以消除隱患的現(xiàn)狀，現(xiàn)探討了一種從相鄰巷打穿壁孔的抽采方案以解決上隅角瓦斯積聚問題。

通過對紅石巖煤礦12409工作面的現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，12409工作面回風巷與12410工作面回風巷處于同位側，并在停產(chǎn)線處公用一條主回風巷。且12410工作面掘進開拓工作已經(jīng)完成，通風條件成熟。原計劃采用12410工作面作為12409工作面的“尾巷”，通過打孔將12409工作面上隅角附近的風流引排至12410工作面回風巷中。這種措施在終孔點和起孔點是以自然風壓的方式引排漏風。在實際生產(chǎn)中，內(nèi)外壓差會受到生產(chǎn)因素以及通風因素的影響并不穩(wěn)定，鉆孔內(nèi)部風流有可能處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，甚至會出現(xiàn)風流倒流的現(xiàn)象。另外引排至12410工作面回風巷中的漏風風流也有可能導致12410回風巷瓦斯超限現(xiàn)象的發(fā)生。因此，將12410工作面回風巷作為12409工作面“尾巷”的方式引排漏風存在著技術缺陷以及安全隱患。通過現(xiàn)場考察并在此基礎上，將原有方案改進為在12410工作面打穿壁孔，并利用已有管路進行改裝從而將抽采孔連入管道，通過抽采泵提供抽采負壓的方式將避免風流倒流和瓦斯超限等其他問題的發(fā)生，并做出相應設計方案，投入使用。

通過對紅石巖煤礦漏風量較大的問題討論分析，此設計方案主要以抽采上隅角附近的漏風為主，通過形成一個具有局部負壓特性的漏風匯以達到治理效果。本設計以現(xiàn)有條件，從與12409工作面相鄰的12410工作面打穿壁孔到12409工作面上隅角附近。5 m布置1個鉆孔，每次抽采時將5個鉆孔連入管路，連接至地面泵站引排。當?shù)谝粋€孔進入采空區(qū)深部后，下一個孔接力抽采，并將該孔進行灌漿封孔處理。鉆孔設計圖及參數(shù)表如圖3、表1。

圖3 鉆孔設計示意圖

表1 鉆孔技術參數(shù)表

3 治理效果分析

根據(jù)統(tǒng)計現(xiàn)場瓦檢員每天的檢測報告，將其整理匯總，見表2。

表2 抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)表2，可統(tǒng)計連入管路的5個鉆孔總流量約為200 m3/min，此時由于漏風產(chǎn)生的采空區(qū)瓦斯主要由抽采管道處引排。并發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛乳L期保持在0.3%以下，根據(jù)投采前后的上隅角瓦斯?jié)舛葘Ρ?，可基本驗證“兩源兩匯”模型的工業(yè)適用性。并且通過對抽采管路里的瓦斯?jié)舛鹊臋z測發(fā)現(xiàn)，瓦斯?jié)舛然揪S持在3%左右，因此，可判定該瓦斯是由外部漏風引起的，從而證明了治風理念的正確性。

4 結論

(1)根據(jù)2016版的《煤礦安全規(guī)程》，對于傳統(tǒng)的U+L型通風方式的尾巷抽采措施因存在安全隱患，已不能再使用。而對于紅石巖煤礦，12410掘進工作面切眼已形成，且與12409工作面以并行的方式共用一條主回風巷道，通風條件成熟，且在管路已經(jīng)鋪設完畢的情況下，在12410回風巷打穿壁孔到12409工作面上隅角附近，并連入抽采管路進行抽采的措施是可行的，與新的章程并不沖突。

(2)12409工作面外部漏風較大從而導致上隅角瓦斯積聚的隱患困擾煤礦的正常生產(chǎn)工作已久。煤礦方在實際生產(chǎn)中采用了上隅角插管的抽采措施，但效果并不明顯。在綜合分析了紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風來源之后，以治風的理念采取穿壁孔抽采方式取得了良好的抽采效果，解決了上隅角瓦斯積聚的問題，并驗證了此類煤礦治風理念的正確性。

(3)主要針對工程實踐進行分析論述，對于內(nèi)部漏風和外部漏風共同作用下采空區(qū)內(nèi)部的風流流向，以及瓦斯分布并未進行深入分析，希望在以后的研究中不斷深入，總結。