采動裂隙帶高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術的應用探析

(平煤股份勘探工程處，河南 平頂山 467000)

0 引言

在煤礦開采的過程中，瓦斯是其最大的自然災害之一，隨著開采作業越來越深入，井下瓦斯涌出量也不斷增加。目前，大部分礦井都采用了綜采放頂煤開采，采空區會出現大量的瓦斯，對開采作業的安全性造成了較大的威脅，因此如何對瓦斯涌出進行有效的治理是避免上隅角瓦斯超標的關鍵。目前，采空區開展抽采作業所采用的方法主要有地面井抽采、高位定向長鉆孔抽采等等。在這些方法中，高位定向長鉆孔具有較多的優勢，如較大的覆蓋面積、較高的瓦斯濃度、較大的流量等，并且施工較為迅速，鉆場布置較為靈活，縮短了施工時間，降低了巷道的任務量等等。目前，該方法已逐漸成為瓦斯治理的核心技術，可以將回風巷及上隅角中出現的瓦斯超限問題進行有效的處理。本文通過對這種抽采技術的工作原理進行分析，運用FLAC3D數值模擬的方法，明確裂隙帶的發育高度及各個施工參數，并對該技術的應用效果進行詳細分析。

1 工作面的實際情況

2201綜采作業面主要以開采3號煤層為主，該煤層的構造較為復雜，賦存較為可靠，其厚度大約為6.2 m，直接頂的構成主要為泥巖及砂質泥巖，與直接頂相比，老頂的構成則多了一個粉砂巖，直接底的構成為細粒砂巖和粉砂巖。將該作業面走向及傾向的長度分別設計為1 100和180 m，采取綜合機械化采煤法及完全垮落法來治理頂板。采取“U”型全負壓形式來進行通風，作業面的瓦斯涌出量最大為45 m3/min，其中采空區出現了22 m3/min的瓦斯涌出量，在作業面中占據了49%，瓦斯出現了較大的涌出，在開采的過程中。上隅角中存在的瓦斯主要來自于采空區，而由于受到大氣因素及作業面漏風的共同影響，其經常出現超標問題，對礦井生產的安全性造成了極大影響。鑒于此，本文提出運用高位定向長鉆孔瓦斯抽采方法來治理作業面采空區的瓦斯狀況，避免上隅角出現瓦斯超標問題。

2 高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術的原理

在實際開采的過程中，上覆巖層將會因采動區的影響而產生變形問題。在采空區的上端將會先后出現各種垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中在縱橫方向上裂隙帶發育分別出現了破斷和離層兩種裂隙。隨著作業面的深入開采，頂板的覆巖完全垮落之后，頂板巖層形成的裂隙將會被填實，而采空區周圍因煤壁的影響，使上、下方巖層仍然保持相應的離層裂隙，從橫向方向上的采空區邊界逐漸向中間形成了支撐區、離層區等，在這兩個區域間形成了一種有效的采動裂隙發育區，并且呈現出了閉合狀態，這就是“O”形圈。根據相應的研究可知，這不僅僅是確保瓦斯運行的主要渠道，而且是瓦斯匯集的關鍵區域。當瓦斯的密度過低或采空區出現漏風時，作業面因受到這兩個因素的共同影響，其上隅角周圍采空區的頂板裂隙中存在較多高濃度的瓦斯。這些瓦斯由于受到氣壓改變及通風負壓的影響，常常會利用裂隙通道而進到采掘區內，使上隅角出現瓦斯超標現象。

在作業面回風側的頂板巖層中，高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術是根據走向進行施工的定向長鉆孔，將鉆孔設置在頂板的裂隙帶中，詳見圖1，確保鉆孔固定在“O”形圈內，在抽采負壓的影響下，裂隙帶存在的瓦斯將會在長鉆孔內排出，轉變瓦斯的流場狀況，通過對裂隙帶內的瓦斯進行截流，極大降低瓦斯的涌出量，變上隅角及回風側出現瓦斯超限。與一般高位孔相對比，該鉆孔具有較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區域，可以持續進行區域化抽采，具有顯著的技術特征。

圖1 高位定向長鉆孔裂縫帶布置

3 高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術的應用

3.1 鉆孔層位的選擇

為了設置有效的長鉆孔層位，利用FLAC3D模擬法來分析作業面中上覆巖層采動裂隙的呈現規律。選擇頂板出現位移變化的位置來當作是裂隙的下限，而上限則選擇即將出現變形的巖層高度。通過對頂板裂隙帶在作業面掘進m時的發育狀況進行模擬可知，當作業面掘進100m之后，上覆巖層的裂隙發育達到了較強的穩定性，其最終高度設置為15～48 m之間。由于下層出現了發育程度最高的裂隙帶，因此鉆孔必須盡可能低的設置，過高將會因裂隙較小而影響到瓦斯的抽采，經過綜合考慮可將該長鉆孔的層位設定為20～35 m。

3.2 鉆孔布置參數

在該作業面的回風順槽中設置鉆場，其間距為400 m，相鄰鉆場的長鉆孔應當設置60 m的搭接距離，在每一個鉆場中分別設置6個頂板長鉆孔，其間距均為10 m，在先后經過兩次的擴孔之后，可以將其直徑設置為300 m。將抽采的負壓設置為25 kPa，其鉆孔示意圖詳見圖2。

圖2 鉆孔布置

3.3 瓦斯抽采的效果分析

在回采作業開展的過程中，對該技術的各個參數進行持續的觀測，瓦斯的抽采量及濃度會隨著時間的變化而改變，由此可知，瓦斯抽采的純量及濃度分別為7.26～16.85 m3/min和28%～46%，兩者的平均值分別為11.26 m3/min和35%。根據抽采結果可知，瓦斯抽采的流量較為穩定、時間較長及濃度較高，可以有效攔截到采空區的瓦斯，使作業面回風巷及上隅角的瓦斯濃度不斷降低，在進行回采作業時上隅角瓦斯應當維持在左右的濃度，上隅角沒有產生瓦斯超限現象，具有較好的抽采效果。

4 結語

1)2201綜采作業面存在的瓦斯大多來源于采空區，同時也是導致上隅角存在瓦斯的主要因素，高位定向長鉆孔具有較多的優勢，如較大的抽采量、較長的延伸距離、較廣的覆蓋區域等，可以持續進行區域化抽采。

2)利用FLAC3D模擬法來取得本作業面中裂隙帶的發育高度，大約為15～48 m，為了使抽采作業得以順利進行，應當將長鉆孔的層位設定在20～35 m之間。

3)根據現場實際應用的結果可知，這種抽采技術具有較多的應用優勢，如流量較為穩定、抽采率較高等，在開展回采作業時，上隅角應當維持0.5%的瓦斯濃度，并不存在超限問題，取得了較好的抽采效果，極大確保了煤礦生產的安全性。