高瓦斯礦井高、底抽巷聯合抽采瓦斯技術研究

高宏， 楊宏偉

(1.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

松軟低透煤層具有煤質松軟、產狀變化大、透氣性差、瓦斯含量較高、煤層預抽難、局部區域具有軟煤包等特點，在現場打鉆過程中，存在壓鉆塌孔和成孔后鉆孔下管困難等現象，后期抽采過程中抽采量低，抽采效果差。

目前國內煤礦松軟低透煤層U型通風回采工作面的瓦斯治理一直是個難題。隨著煤層采深的逐步加大，地質條件日趨復雜，研究松軟低透氣煤層U型通風回采工作面的瓦斯治理問題已經刻不容緩。針對松軟低透煤層U型通風回采工作面的瓦斯治理方法，袁亮[1]提出了松軟低透煤層U型通風回采工作面分源瓦斯治理技術、利用地面鉆井預抽采動影響區域等一套適合淮南礦區瓦斯治理實際的成功技術。胡明等[2]采用“U+尾排”通風結合大直徑深孔預抽本煤層瓦斯與底板穿層鉆孔抽采瓦斯等綜合措施，解決了抽采效率低、抽采濃度低、煤層透氣性差等問題。郭春生等[3]利用底板穿層鉆孔抽采本煤層卸壓瓦斯，并對抽采鉆孔的抽采時間進行了優化，解決了陽泉地區松軟低透煤層U型通風回采工作面的瓦斯抽采問題。吳有增[4]針對低滲松軟單一煤層U型通風回采工作面建立了基于本煤層瓦斯抽采、井下千米長抽采鉆孔瓦斯抽采技術和井上水平分支井裂隙帶瓦斯抽采技術協同工作的“立體抽采系統”，并完成了對系統抽采效果的考察，效果良好。鄧玉華[5]針對近水平高瓦斯松軟低透煤層安全高效開采的問題，提出了保護層開采技術，上保護層開采后被保護煤體得到了充分保護，增大了煤巖體的透氣性，從而減少了煤層瓦斯含量。

以上松軟低透氣煤層U型通風回采工作面的瓦斯治理方法雖取得了一些效果，但有些治理手段和方式也有一定的局限性，如地面鉆井抽采只能作為提前預抽措施，無法解決回采期間松軟煤層的瓦斯問題，大直徑鉆孔抽采和水力沖孔措施對于松軟煤層施工也存在塌孔問題，底板穿層鉆孔在一定程度上解決了本煤層瓦斯抽采問題，保護層開采抽采卸壓瓦斯受一定地質條件的局限性[6-9]，對于抽采技術復雜多變的煤礦適應能力較差，能夠達到較好抽采效果的礦區僅僅局限于某一區域。一些強化抽采技術設備昂貴、工藝復雜，不僅增加了噸煤成本，而且影響了正常生產，因此，很多強化抽采技術并沒有得到大范圍推廣。

針對以上問題，以山西晉煤集團趙莊礦1307綜采工作面為研究對象，筆者提出了高抽巷和底抽巷聯合抽采的瓦斯抽采技術，在松軟低透氣性煤層大采高U型通風回采工作面開展底抽巷穿層鉆孔掩護掘進工作面掘進，中部底抽巷穿層鉆孔用來抽采回采期間本煤層卸壓瓦斯，通過高抽巷抽采上隅角瓦斯。

1 高、底抽巷聯合抽采瓦斯技術

1.1 趙莊礦1307綜采工作面概況

山西晉煤集團趙莊礦目前開采3號煤層，采煤方法采用長壁大采高綜采。由于3號煤層透氣性低，抽采率低，打鉆成孔難，造成采掘工作面接替相對緊張。

1307大采高綜采工作面位于一盤區，北側為1308工作面，南側為1306工作面。1307工作面走向回采長度為2 084 m，傾斜長度為233 m，采用走向長臂式開采，煤層厚度為4.60～6.10 m，平均煤層厚度為5.36 m，采高為4.6 m。工作面共布置5條巷道：13071巷、13072巷(包括13072巷前段和1307邊部底抽巷)、13073巷、1307中部底抽巷、高抽巷。當工作面回采向前推進60 m時，密閉1307切眼底抽巷，1307工作面采用U型通風方式。

3號煤層相對瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，透氣性系數為0.21～0.46 m2/(MPa2·d)，百米鉆孔瓦斯流量為0.000 5～0.003 9 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.14～0.39 d-1，一盤區煤體瓦斯含量按12.73 m3/t計算。1307工作面煤層瓦斯含量最高為12.73 m3/t，瓦斯殘存量為2.65 m3/t。

1.2 1307工作面高、底抽巷聯合抽采瓦斯技術

趙莊礦目前開采的3號煤層特征為單一松軟低透厚煤層，1307工作面為大采高綜采工作面，上隅角瓦斯超限問題較難解決，為此提出了基于以上條件的高抽巷、中部底抽巷和邊部底抽巷聯合抽采的瓦斯抽采技術，即通過高抽巷抽采上隅角瓦斯，中部底抽巷穿層鉆孔用來抽采回采期間本煤層卸壓瓦斯，邊部底抽巷穿層鉆孔掩護掘進工作面掘進。

1307工作面高抽巷和底抽巷聯合抽采瓦斯治理模式平面布置如圖1所示，剖面布置如圖2所示。

圖1 1307工作面巷道布置平面圖

圖2 1307工作面巷道布置剖面圖

通過邊部底抽巷掩護13071和鄰近工作面13074巷的掘進，中部底抽巷穿層區域條帶預抽本煤層瓦斯，高抽巷抽采上隅角瓦斯，使得工作面的瓦斯抽采率大幅提高，降低了本煤層的瓦斯含量，從而解決了采掘銜接緊張和上隅角瓦斯超限問題。

2 邊部底抽巷層位確定及鉆孔布置

2.1 邊部底抽巷層位確定

利用穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，使鉆孔穿過巷道頂(底)板，對煤巷條帶的瓦斯進行抽采，利用巷道和抽采鉆孔促使煤體釋放壓力，可更好地增強煤體的透氣性和堅固性系數，有效減弱地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量，從而達到掩護巷道掘進的目的。趙莊礦在一盤區的1307工作面利用穿層鉆孔的方法預抽煤巷條帶煤層瓦斯(將待掘進的煤巷工作面和兩幫一定范圍內的煤體稱為煤巷條帶)，使鉆孔從工作面的底板巖巷穿過，到達2條煤巷的待掘區域，為2條巷道安全、快速掘進起到掩護作用[10-12]。

底板瓦斯抽采巖巷穿層鉆孔預抽在消除回采巷道掘進和工作面回采引起的瓦斯災害的同時，避免了巷道掘進和工作面回采對底抽巷造成的破壞。邊部底抽巷層位選擇主要通過3個因素進行分析：① 保證鉆孔施工。首先要在 13071、13074 巷及其輪廓線外 20 m 的范圍內布置鉆孔，其次在鉆進過程中避免穿過含水層以及堅硬巖層。② 保證掘進效率。為了保證掘進效率，需要保證巷道在堅固性系數較小、掘進機組容易切割的巖層中掘進，從而提高掘進效率。③ 保證足夠的安全距離。選取賦存比較穩定的巖層，掘進時邊部底抽巷頂板或底板沿著巖層，并且確保邊部底抽巷到3號煤層之間的距離在安全范圍，最終在3號煤層底板下部距離21.5 m處，確定了邊部底抽巷(13071巷)的垂直層位。

2.2 邊部底抽巷穿層鉆孔布置

底板巖巷穿層抽采鉆孔按如下布置：施工向上鉆孔，鉆孔覆蓋設計巷道左右兩幫輪廓線外各20 m。

按照《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》將鉆孔間距基本相同和預抽時間基本一致(預抽時間差異系數小于30%)的區域劃分為一個評價單元，1307工作面進風巷鉆孔預抽時間比回風巷短很多，初期抽采按照50 m間隔為一個評價單元，劃分為10個單元，抽采后期按照150 m間隔為一個評價單元，初步劃分為20個評價單元。

1307底抽巷第1—4單元均為60 m的抽采單元，1單元鉆孔按照孔間距5 m×5 m進行布置，每組設計10個鉆孔；鉆孔間的距離過小容易使鉆孔間串通，因此，從第2單元開始對設計進行了調整，2單元每組布置6個鉆孔；從第3單元起每組按照5個鉆孔進行布置。第6—11單元每單元寬為120 m，第12單元寬為175 m，第13—15單元每單元寬為120 m，第16單元寬為55 m。每單元設計12組鉆孔，每組鉆孔左、右兩幫各為2排，每排10個鉆孔，每單元共計120個鉆孔。

以第9單元為例，共設計244個鉆孔，鉆孔進尺為11 882 m，每組間距為5 m，底抽巷穿層鉆孔穿透整個煤層且穿透煤層頂板0.5 m，底抽巷鉆孔排間距為0.5 m(每組鉆孔排間距根據現場情況允許在0.5～1 m調整)。在第8組與第9組、第16組與第17組之間施工2組校檢孔(與鄰近組間隔2.5 m)，并測試其含量，且在施工時先施工校檢孔，校檢孔見煤后在煤層內施工2 m，封孔時分別下注漿管和返漿管，返漿管距篩管大于2 m，用水泥砂漿封孔。

1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔俯視圖、剖面圖如圖3、圖4所示。

圖3 1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔俯視圖

圖4 1307邊部底抽巷第9抽采單元穿層鉆孔剖面圖

3 中部底抽巷層位確定及鉆孔布置

3.1 中部底抽巷層位確定

中部底抽巷長度為1 180 m，位于1307工作面下方正中間，開口處位于1號底抽巷1 500 m處，巷道寬度為4.7 m，巷道高度為3 m，采取錨網聯合的形式進行支護。

1307工作面3號煤層底板主要為粉砂巖，厚度為5.2 m，向下依次為K7粗粒砂、K6石灰巖、粉砂巖。巖體堅固性系數從低到高分別為粗粒砂、粉砂巖、石灰巖。由試驗可知，分別在K6、K7巖層中利用相同鉆機、鉆具施工相同長度的鉆孔時，K6巖層鉆進所需的時間是K7巖層的8～10倍，每鉆進1 m的平均耗時是2～3 h，鉆進困難，若在K6巖層下邊布置底抽巷，鉆孔會通過K6巖層，鉆進效率降低，導致上邊3號煤層無法實現高效開采，因此，將K6作為一個標志層位，3號煤層底抽巷應布置在K6上部巖層，避免穿層鉆孔穿過K6巖層。

考慮到底抽巷與煤層間距對鉆孔施工的影響，隨著底抽巷與3號煤層之間的距離減小，鉆孔工程量也會減少，同時施工角度選取得越小，煤體長度越大，可更有效提高利用率和抽采效率。因此，選擇中部底抽巷距3號煤層底板距離為7 m左右。

3.2 中部底抽巷鉆孔布置

由于1307切眼底抽巷覆蓋工作面鉆孔60 m范圍內成孔率比較好，所以，中部底抽巷從距切眼60 m處開始布孔。第1、2單元設計37組(第1、2單元設計長度均為220 m，每單元含鉆孔37組)鉆孔，第3—6單元設計28組(第3—6單元設計長度均為170 m，每單元含鉆孔28組)鉆孔，單數組每組設計16個鉆孔，雙數組每組設計15個鉆孔，鉆孔分4排、2列布置，組間距為3 m，鉆孔終孔間距按照5 m×10 m進行布置，鉆孔掩護工作面寬度為150 m，共設計鉆孔372組，6個單元，5 766個鉆孔，總進尺為232 500 m。中部底抽巷穿層鉆孔布置和剖面圖如圖5、圖6所示。

圖5 中部底抽巷穿層鉆孔布置

圖6 中部底抽巷穿層鉆孔剖面圖

3.3 穿層鉆孔和順層鉆孔立體抽采

通過分析趙莊礦1307回采工作面巷道布置和采掘接替情況，在中部底抽巷實施穿層鉆孔后，穿層鉆孔并不能全部掩護1307回采工作面，存在瓦斯抽采空白帶，因此，在1307回采工作面中部底抽巷采用了底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯和本煤層順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯，立體抽采1307工作面卸壓瓦斯，鉆孔布置如圖7所示。

圖7 1307工作面立體抽采鉆孔布置

通過中部底抽巷穿層區域條帶預抽及本煤層區域條帶預抽相結合的立體抽采方式，抽采瓦斯效果顯著，消除了煤層瓦斯抽采空白帶，工作面的瓦斯含量明顯降低，確保了工作面的安全高效回采。

4 高抽巷層位確定

3號煤層頂板巖性屬于中硬巖層，按照垮落帶與裂隙帶中的中硬巖層的判別公式[13]，垮落帶高度計算公式為

H1=M/(K-1)

(1)

式中：H1為沿煤層法向方向垮落帶的高度，m；M為回采層厚度，m，取4.6～6.1 m；K為垮落帶巖石碎脹系數，取1.3。

根據式(1)，計算得出1307回采工作面垮落帶高度為

H1|m=(4.6～6.1)/(1.3-1)=15.3～20.33

裂隙帶沿煤層法向的高度的計算公式為

H2=100M/(2M+3)+6

(2)

根據式(2)，可計算出1307回采工作面裂隙帶沿煤層法向的高度為

H2|m=100×(4.6～6.1)/[2×(4.6～6.1)+3]+6=43.7～46.1。

文獻[14]對大量現場實測與經驗計算結果進行對比后，提出當煤層采高大于3 m時，實測裂隙帶高度為式(1)和式(2)較大計算值的1.3～1.5倍。

通過計算和現場實際驗證得出：趙莊礦1307回采工作面垮落帶最大高度為27.73 m，裂隙帶最大高度為64.9 m，即裂隙帶的高度為27.73～64.9 m。結合淮南礦業集團高抽巷治理瓦斯的經驗，最終將高抽巷的層位定在距離煤層頂板50 m左右。

5 應用效果及評價

5.1 邊部底抽巷穿層鉆孔抽采效果評價

按照數據統計，對邊部底抽巷穿層鉆孔掩護巷道掘進的瓦斯抽采應用效果進行計量和評價，每間隔40 m布置2個效果檢驗孔，在煤巷的中央設置終孔位置，測定出抽采后的煤體瓦斯含量。

1307回采工作面邊部底抽巷各單元抽采區域煤巷掘進工作面瓦斯體積分數如圖8所示。

圖8 邊部底抽巷抽采單元掘進工作面瓦斯體積分數

通過統計抽采情況的相關數據可得出，實施穿層鉆孔抽采后，單孔最大抽采流量達到0.116 m3/min，百米鉆孔抽采量達到0.76 m3/min·hm，平均百米抽采量為0.43 m3/min·hm，比本煤層百米抽采量提高了50倍，有效促進了瓦斯抽采。煤巷掘進工作面最大瓦斯體積分數為0.48%，說明采用穿層鉆孔進行瓦斯抽采可以有效降低掘進工作面的瓦斯涌出量。

5.2 中部底抽巷穿層鉆孔抽采效果評價

(1)抽采濃度分析。中部底抽巷抽采瓦斯體積分數變化如圖9所示。從圖9可看出：根據工作面推進進度對揭露的鉆孔進行拆除，動態地對抽采系統進行管理，可以確保中部底抽巷抽采瓦斯體積分數為25%左右。底抽巷抽采瓦斯體積分數也受系統調整的影響，平均抽采瓦斯體積分數為24.3%，最低為10.9%，最高為33.4%，抽采效果良好。

圖9 1307中部底抽巷抽采瓦斯體積分數變化曲線

(2)中部底抽巷抽采量及抽采效果評價。1307中部底抽巷抽采量(部分)隨抽采時間的統計曲線如圖10所示。

圖10 1307中部底抽巷抽采量隨時間變化曲線

1307中部底抽巷每隔120 m設為1個抽采單元，從開始抽采至抽采結束累計抽采量為233.43萬m3，平均日抽采量為6 813 m3。

1307回采工作面回采前中部底抽巷日抽采量大約為5 000 m3，在回采過程中，抽采體積分數在30%左右，日抽采量在7 500 m3左右，最高日抽采量達9 971 m3。抽采瓦斯純量為2.84～6.92 m3，平均抽采瓦斯純量為4.73 m3。

由于施工的穿層鉆孔貫穿了整個3號煤層，促使徑向瓦斯流動通道連通，瓦斯來源充足，抽采效果遠遠比本煤層順層鉆孔要好。經抽采后瓦斯含量平均下降了4.18 m3/t。參照鄰近1306回采工作面回風巷(未施工中部底抽巷)，割煤期間回風巷瓦斯體積分數為0.60%～0.65%，經過底抽巷穿層鉆孔條帶預抽后的瓦斯體積分數為0.28%～0.52%。

5.3 高抽巷抽采效果評價

高抽巷抽采效果受到的影響主要包括垂直層位、負壓、抽采能力等，通過研究高抽巷在不同階段抽采效果來確定合適的層位及負壓，以為高抽巷的應用提供幫助。

(1)高抽巷抽采負壓。在1307回采工作面開采前期，高抽巷未能和裂隙區貫通，抽采效果一般。當工作面推進至初次來壓布距50 m時，抽采負壓從31 kPa降低到13 kPa，瓦斯涌出量逐步增大，高抽巷抽采瓦斯體積分數從3%提高到13%。隨著工作面繼續向前推進，高抽巷與裂隙帶貫通，抽采純量顯著提高。

1307工作面抽采混量與負壓的關系曲線如圖11所示。從圖11可看出，在抽采負壓不斷增大的同時，高抽巷鄰近層、采空區的抽采能力也增強，當負壓為21 kPa左右時，抽采混量趨于穩定，為300 m3左右，純量為45 m3。截止到1307工作面回采結束，高抽巷的標況混量基本保持在350 m3，最高達到427.82 m3，抽采負壓為12～15 kPa。這說明，在現有的2BEC72水環式真空泵的基礎上，抽采負壓為12～15 kPa時，抽采泵的抽采效果最佳，基本達到了瓦斯泵的極限抽采能力。

圖11 高抽巷抽采混量與負壓的關系曲線

(2)高抽巷抽采層位。高抽巷在抽采期間，隨著高抽巷垂直層位的變化、周期來壓及地質因素的影響，其抽采純量和抽采濃度也會出現階段性下降的情況。

具體層位、純量和體積分數之間的變化曲線如圖12所示。從圖12可看出，當工作面推進至247 m(對應的高抽巷層位為41 m)，高抽巷抽采瓦斯體積分數為12%，瓦斯抽采量為19 m3左右。當推進至253.4～990.1 m時，高抽巷距煤層垂直距離由41 m增加至45 m左右，瓦斯抽采純量和體積分數也有一定程度增長，瓦斯純量從19 m3增長至31 m3，瓦斯體積分數從12%提高至14%。從增長幅度來看，瓦斯純量和抽采瓦斯體積分數增長幅度均大于高抽巷垂直距離的增長幅度，說明高抽巷最佳層位大于45 m[15]。后期當高抽巷垂直距離為51 m時，與之對應的瓦斯純量為46.13 m3。

圖12 高抽巷垂直層位、純量、體積分數隨工作面推進時間的變化曲線

高抽巷利用負壓抽采可使采空區上隅角附近瓦斯流場重新分布，減小瓦斯向工作面涌出，大部分瓦斯流向高抽巷，對于降低上隅角瓦斯濃度效果顯著[16]。

6 結論

(1)提出了高抽巷和底抽巷聯合抽采的瓦斯抽采技術，即在原有U型通風的基礎上外加一條高抽巷、一條中部底抽巷和一條邊部底抽巷，邊部底抽巷掩護2個掘進工作面的掘進，中部底抽巷穿層區域條帶預抽本煤層瓦斯，高抽巷抽采上隅角瓦斯。

(2)通過理論分析并結合現場情況，確定了邊部底抽巷、中部底抽巷和高抽巷的層位，并確定了邊部底抽巷和中部底抽巷的鉆孔布置方式。將1307邊部底抽巷層位布置在距3號煤層底板21.5 m處，從而掩護掘進巷道兩幫各15 m的范圍是可行的。1307中部底抽巷最終層位布置在距底板7 m處，鉆孔掩護1307工作面150 m煤體，解決了工作面在回采過程中本煤層的瓦斯問題。1307工作面高抽巷垂直位置距頂板50 m左右。

(3)分別對邊部底抽巷、中部底抽巷和高抽巷的抽采效果進行了評價。邊部底抽巷掩護的煤巷掘進工作面最大瓦斯體積分數為0.48%，穿層鉆孔抽采有效降低了掘進工作面的瓦斯涌出量。中部底抽巷抽采本煤層瓦斯后，瓦斯含量平均下降了4.18 m3/t。高抽巷正常抽采后，抽采負壓為12～15 kPa時，瓦斯純量為46.13 m3左右，減小了瓦斯向工作面涌出。

(4)實踐表明，1307工作面采用的高抽巷和底抽巷聯合抽采的瓦斯治理模式，降低了上隅角瓦斯濃度，解決了上隅角瓦斯超限問題，1307邊部底抽巷掩護了13071和鄰近工作面13074巷的掘進，中部底抽巷抽采了回采期間本煤層的卸壓瓦斯，保障了1307工作面的安全回采。