大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術研究

程 波，陳殿賦，彭明輝，楊 亮

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.神華神東煤炭集團有限責任公司保德煤礦，山西 保德 036600)

我國是一個多煤少油的國家，已探明的煤炭儲量占世界煤炭儲量的33.8%。我國煤炭產量連續多年位居世界第一，20世紀50年代煤炭消耗占全部能源的比例曾高達90%[1-2]。近年來，在經濟轉型、環保加強等因素的影響下，煤炭消費增速雖明顯放緩，但煤炭在我國一次性能源結構中仍處于主導地位。隨著采煤技術和裝備的發展，以及國家強力推進淘汰煤炭落后產能，致使先進的大型高產礦井成為我國煤炭生產的主體，其產量占比達75%，其中千萬噸級特大煤礦產能近8億t/a。瓦斯災害一直是煤礦安全生產的主要威脅，通過井下開采保護層卸壓或區域遞進式規模化抽采和超前地面預抽兩大劃時代技術的應用，解決了瓦斯消突問題，遏制了重特大瓦斯事故的發生[3]。但隨著產能的提高，即使煤層抽采達標或者是原始煤層瓦斯含量較低的礦井，在高強度的開采條件下，其工作面回采期間的采空區瓦斯涌出量仍然較大，特別是針對放頂煤開采的煤層，該問題極為突出[4]。目前，多數高產高效的高瓦斯礦井摒棄了傳統的“一進一回”巷道布置方式，采用“一面三巷”(運輸巷、一號回風巷和二號回風巷)或“一面四巷”(工作面輔助運輸巷、運輸巷、一號回風巷和二號回風巷)的布置方式[5]。但上述2種工作面巷道布置方式，其掘進工程量大，且巷道維護成本較高，與井下瓦斯抽采易形成相互制約的矛盾。同時，在采空區瓦斯治理方面，雖已形成了以高位鉆孔[6-7]、埋管[8]、插管[9-10]等抽采卸壓瓦斯的工藝為主的技術體系，但對于高強度開采條件下的采空區瓦斯治理技術仍有待進一步研究完善。

鑒于此，針對高瓦斯厚煤層高強度開采條件下回風隅角瓦斯治理的難題，以神東煤炭集團保德煤礦綜采放頂煤工作面開采為工程背景，通過對通風方式進行優化，使工作面形成偏“Y”型的通風方式，并與大直徑水平鉆孔施工工藝相結合，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術。

1 試驗工作面概況

保德煤礦隸屬于國家能源集團神東煤炭集團，位于山西省保德縣境內，地質儲量12.00億t，可采儲量 7.11 億t，是神東礦區下屬唯一一座高瓦斯礦井。目前保德煤礦采用綜采放頂煤工藝開采，主采8#煤層，煤層平均傾角3.5°。8#煤層標高為+550.0～+776.0 m，測得的瓦斯含量為0.480～7.856 m3/t。各煤層厚度及煤層平均間距如表1所示。

表1 保德煤礦煤層厚度及平均間距

將81505綜采放頂煤工作面作為本次的試驗工作面，該工作面位于保德煤礦五盤區，該區域內無斷層、陷落柱等其他地質構造影響，煤體瓦斯賦存情況基本一致，瓦斯含量為4.88 m3/t左右。與之相鄰的81504綜采放頂煤回采期間采用 “三進兩回”U型通風系統，即工作面運輸巷、下鄰近工作面一號、二號回風巷進風，工作面一號及二號回風巷回風，且采空區滯后聯絡巷埋管抽采(在二號回風巷安設?820 mm干管、配合?520 mm支管滯后工作面30～150 m抽采)，如圖1所示。

圖1 81504工作面巷道布置示意圖

該種通風方式在回采工作面布置了2條回風巷(一號回風巷和二號回風巷)，增加了工作面煤巷掘進工程量，延長了工作面的準備周期。同時，工作面回采期間，采空區瓦斯抽采管路安設于二號回風巷中，隨著煤炭的開采，抽采管路勢必將埋入已采巷道中，增加礦井瓦斯治理成本。在考慮煤炭資源回收方面，回采工作面多布置了準備巷道，則增加了巷道煤柱量，降低采區煤炭采出率。

2 試驗工作面通風方式優化

由于在本次試驗前，保德煤礦81505、81506回采工作面的巷道掘進工作已完畢，故針對保德煤礦原有綜采放頂煤回采工作面通風方式存在的問題，對81505綜采放頂煤工作面的通風方式進行了優化，即：81505回采工作面一號進風巷、運輸巷外段進風，通過聯絡巷，由下鄰近的81506工作面一號進風巷內段、開切眼回風，風流自上向下流動，形成偏“Y”型的通風方式，如圖2所示。

圖2 優化后的回采工作面通風方式示意圖

圖2中，81506工作面一號進風巷與81505工作面膠運巷之間存在1條巷道，該巷道實際為原設計中的81506工作面二號回風巷。若試驗前，81506工作面尚未形成，則無需掘進該巷道。81505工作面通風方式優化后，該條巷道實際并無任何的實用價值，但在后續的試驗期間，該巷道可等同于下鄰近81506備采工作面的一號進風巷，且可敷設瓦斯抽采管路對其采空區瓦斯進行抽采。

針對保德煤礦8#煤層回采工作面開采實際提出的偏“Y”型通風方式的優點：采空區漏風較少，回風隅角瓦斯治理的難度降低，對抑制采空區遺煤自然發火與采空區瓦斯治理有利；將移動變電站列車、膠帶輸送機等設備布置于進風流中，安全性高；有利于工作面降溫和對濕度的調節。

3 大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術的原理

基于對保德煤礦8#煤層放頂煤回采工作面通風方式的優化，結合當前試驗成功的直徑600 mm水平鉆孔施工工藝[11]，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術，旨在對工作面回采期間的采空區瓦斯實施高效治理，其技術原理為：將偏“Y”型通風系統中的下鄰近備采工作面一號進風巷與采空區聯通的煤柱，通過施工大直徑水平鉆孔橋接，每個大直徑水平鉆孔連接抽采管道，開設相應的取樣孔，用以連接自然發火標識性氣體濃度傳感器，實時監測采空區遺煤自燃情況。同時，在鉆孔孔口安設蝶閥，用以調節鉆孔負壓，進而控制鉆孔抽采瓦斯量。以長度150 m煤柱為例，可每隔30 m施工1個大直徑水平鉆孔穿透煤柱至回采工作面采空區，且采空區瓦斯抽采滯后工作面30～150 m。大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯示意圖如圖3～4所示。

圖3 大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯示意圖

(a)水平布置示意圖

(b)A—A剖面圖

該技術的優越性主要表現在以下幾個方面：

1)下鄰近備采工作面一號進風巷內可敷設大直徑抽采管道，如同增加了回采工作面的通風風量，能起到引排采空區瓦斯，改變采空區瓦斯流場的作用；橋接管路接入采空區處的抽采負壓高，能更有效地截流防止采空區深部回風側區域高濃度瓦斯涌入工作面；

2)施工的大直徑水平鉆孔完全可替代原有的聯絡巷插管抽采，且實現了采空區與備采工作面一號進風巷之間的完全隔離，避免了采空區高濃度瓦斯直接流入備采工作面一號進風巷，從根本上解決了回風瓦斯濃度超限的難題；

3)多個大直徑水平鉆孔橋接進入采空區，實現了采空區回風側區域多個匯點、連續抽采，降低了采空區瓦斯涌出強度；每個大直徑水平鉆孔與抽采管道相連接，并可實時在線監測采空區遺煤自然發火標識性氣體的濃度，切實做到對礦井煤炭生產工作面采空區煤炭自燃的有效預控；

4)大直徑水平鉆孔與抽采管道相連接處，安設有調控蝶閥，用以控制鉆孔抽采瓦斯負壓，使得鉆孔抽采瓦斯量實現精準、有效控制，防止因采空區抽采瓦斯量過大，而引發的空氣攝入造成遺煤自燃。并在采空區瓦斯涌出強度過高時，提升采空區瓦斯抽采量，防止綜放工作面上隅角瓦斯濃度超限，切實保障煤炭的安全開采。

4 應用效果及分析

在保德煤礦81505綜采放頂煤工作面回采前，已采用傾向鉆孔對煤體進行了大面積區域預抽，其煤層瓦斯含量已降低至3.42～4.35 m3/t，工作面設計產量12 800 t/d，根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的相關要求，該工作面已實現了瓦斯抽采達標。

將大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯的工藝應用于保德煤礦81505工作面，在工作面推進期間，對管路抽采瓦斯量和回風巷、上隅角瓦斯濃度進行了實測，以檢驗大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯的效果，指導后續煤礦生產工作面的采空區瓦斯抽采方案。統計了工作面累計推進進度274～1 129 m內的采空區抽采瓦斯參數、工作面的瓦斯濃度(CH4體積分數)，如圖5～6所示。

圖5 81505工作面回采期間回風巷、回風隅角等區域瓦斯濃度

圖6 81505工作面回采期間采空區抽采瓦斯量、瓦斯濃度及累計推進進度

由圖5～6可知：大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯管路中的瓦斯濃度為1.6%～3.2%，抽采瓦斯量為7.4～20.6 m3/min；81505工作面回風隅角瓦斯濃度未發生過超限，且控制在0.20%～0.64%內；回風瓦斯濃度控制在0.12%～0.54%內。應用大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術期間，鉆孔抽采負壓控制在17～20 kPa，且未在抽采管道內監測到煤自然發火的標識性氣體。

大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術在81505工作面的現場應用實踐表明：備采工作面一號進風巷內施工大直徑水平鉆孔橋接采空區瓦斯工藝，可有效解決上隅角及回風巷瓦斯超限的難題，能夠滿足安全高效生產的需求。目前，該項工藝已推廣至保德煤礦的其他回采工作面。

與礦井原采用的聯絡巷插管抽采瓦斯工藝相比，應用大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術可大幅度減少聯絡巷掘進工程量，進而可縮短工作面準備周期，并延長了回采工作面煤體區域預抽瓦斯的時間，保障了礦井“抽、掘、采”有序銜接，其技術、經濟效益顯著。

5 結論

1)針對高瓦斯厚煤層高強度開采條件下“三進兩回”型通風系統回風隅角瓦斯治理的難題，通過對礦井回采工作面通風方式進行優化，使工作面形成偏“Y”型的通風方式，并與大直徑水平鉆孔施工工藝相結合，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術，即：將偏“Y”型通風系統中備采工作面一號進風巷與采空區聯通的煤柱，通過施工大直徑水平鉆孔橋接，并在孔內安裝抽采管，最終接入抽采管路進行瓦斯抽采；

2)將大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯技術應用于保德煤礦81505工作面，該工作面回采期間，大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯管路中的瓦斯濃度為1.6%～3.2%，抽采量為7.4～20.6 m3/min；回風隅角瓦斯濃度控制在0.20%～0.64%，回風瓦斯濃度控制在0.12%～0.54%，切實保障了煤炭資源的安全高效開采；

3)應用大直徑水平鉆孔橋接采空區抽采瓦斯工藝可取代聯絡巷插管抽采，實現多個大直徑水平鉆孔橋接進入采空區進行連續抽采，降低了采空區瓦斯涌出強度，加強了對采空區瓦斯流場的控制。