鄰近層瓦斯高低位鉆孔和迎向鉆孔抽采效果分析

2021-03-01 00:37:14李炎濤

煤 2021年2期

李炎濤

(山西煤炭運銷集團陽泉有限公司，山西陽泉 045000)

隨著煤炭開采技術的不斷發展，煤礦井下開采深度不斷增加，規模也越來越大，瓦斯災害事故也逐漸增多。陽泉礦區位于山西省沁水煤田的東北部，是全國瓦斯最大也是最難進行瓦斯抽采的礦井之一，走向北北東，向西南方向傾斜[1-2]，區域地質構造主要為一級褶曲和斷裂構造，局部喀斯特熔巖現象較發育。近幾年來，陽泉礦區曾多次發生瓦斯事故，瓦斯已經成為制約礦區生產的主要不安全因素，而瓦斯抽放是防治瓦斯事故的根本措施[3]。

采用高低位鉆孔和迎向鉆孔是煤層臨近層瓦斯抽采的主要方式，然而，對于陽泉礦區，這三種方式各自的適用性目前未見報道。因此，本文主要針對上社煤礦9號煤層鄰近層瓦斯，采用高低位鉆孔和迎向鉆孔進行鄰近層瓦斯抽采效果進行分析。分析結果對于陽泉礦區瓦斯抽放系統布置具有重要意義。

1 礦井概況

上社煤礦井田位于陽泉市盂縣南婁鎮北上社村南，距縣城西南12 km，地處沁水煤田北部，行政區劃大部屬南婁鎮管轄。礦井井田面積12.464 km2，批準開采5～15號煤層，生產規模2.10 Mt/a，開采深度為標高+1 079.97～+679.97 m。9號煤層工作面設計長度160 m，采高3.0 m，采用綜合機械化走向長壁后退式采煤工藝，工作面一次性采全高，全部垮落法管理頂板。9號煤層的主要鄰近層有1號、2號、3號、5號、6號、8號、12號、13號、15號煤層，其中12號、15號煤層為下鄰近層，其余為上鄰近層。煤層特征如表1所示。

2 鄰近層抽采方法選擇

上社煤礦9號煤層工作面回采后垮落帶最大發育高度約為10 m，裂隙帶最大發育高度為40～46.9 m，位于垮落帶和裂隙帶內的煤層有3號、5號、6號、8號煤層，3號煤層則位于裂隙帶與彎曲下沉帶的過渡區內。12號煤層底板受采動影響不大，只有少量的裂隙出現。9號煤層工作面回采過程中，對工作面瓦斯涌出影響較大的是5號、6號、和8號煤層等上鄰近層，其下鄰近層如12號煤層的卸壓瓦斯對工作面瓦斯涌出影響不大。上鄰近層卸壓瓦斯抽采巷方法主要有井下鉆孔抽采、井下巷道抽采和地面鉆井抽采三種。根據上社煤礦的實際情況以及陽泉礦區臨近礦井瓦斯抽采情況，采用井下鉆孔抽采方法，即采用高低位鉆孔結合回風迎向鉆孔方式對鄰近層進行抽采。

3 鄰近層瓦斯綜合抽采鉆孔布置

3.1 瓦斯抽采巷鉆孔布置工藝

9號煤9308工作面為礦井西區第一個靠近邊界的綜采工作面，回風與進風雙巷掘進，9308工作面回風巷道和9308瓦斯抽采巷間煤柱為25 m，且之間每100 m有一橫貫。工作面長度159 m，可采長度1 626 m，采高平均為3 m。綜采工作面回采期間采用“U+U”型通風方式，運輸巷道作為進風巷，回風巷道為回風巷道(回風巷)，另布置有瓦斯抽采巷，專門抽采瓦斯，三巷均沿煤層底板布置，為半煤巖巷道。9308采用U型通風方式，工作面配風量為2 100 m3/min。9308工作面鉆孔為上鄰近層鉆孔，其中高、低位鉆孔開口設在瓦斯抽采巷，回風巷道迎向鉆孔布置在回風巷道鉆場。9308工作面回風巷道和瓦斯抽采巷抽采鉆孔布置示意，如圖1所示。

表1 煤層特征一覽

3.2 瓦斯抽采巷高、低位瓦斯抽采巷鉆孔布置參數

在9308工作面瓦斯抽采巷布置高位鉆孔時，層位打到5號煤上部0.7～11.7 m，從切巷處開始往西12 m處開始打1號鉆孔，依次向西布置鉆孔，高位鉆孔的間距定為15 m，鉆孔直徑200 mm，開孔位置距頂板0.2～0.3 m，施工高位鉆孔68個，計劃工程量4 148 m。每個鉆孔均穿過5號煤層，達到灰色細砂巖。低位孔終孔層位打到8號煤層頂板砂質泥巖，從距開切眼20 m處開始打1號孔，鉆孔間距15 m，低位鉆孔長度為50 m，計劃工程量3 400 m。鉆孔均為仰角鉆孔，鉆孔仰角按式(1)計算，即：

(1)

式中：α為鉆孔處煤層傾角，°；β為鉆孔仰角，°；h為開采層距鄰近層的垂高，9號煤層與5號煤層頂板間距取28.6 m；a為鉆孔深入工作面的距離，鉆孔深入距離取20 m；b為隔離煤柱寬度，隔離煤柱取25 m。

3.3 回風巷道迎向鉆孔布置參數

9308工作面回風巷道共布置326個迎向抽采鉆孔，鉆孔均指向回風隅角方向施工，鉆孔終孔間距為15 m，鉆孔終孔點選擇在9號煤層頂板以上22 m位置，伸入工作面的長度為13 m。

圖1 9308工作面瓦斯抽采巷抽采鉆孔布置示意

3.4 鉆孔施工及封孔

所有鉆孔均使用ZDY3200S型煤礦用坑道鉆機，用D193 mm鉆頭開孔，然后用D193 mm鉆頭鉆進。封孔選用QB(FKMB-500)瓦斯鉆孔封孔密閉填充劑封孔。瓦斯鉆孔封孔密閉填充劑封孔，要求“嚴、緊、密”，確保瓦斯抽采時不漏氣。9308瓦斯抽采巷和9308回風巷道內各鋪設一趟D380 mm瓦斯抽采巷管。

4 鄰近層瓦斯抽采效果考察

9308工作面于2018年1月初開始初采，通過統計2018年2月1日至2018年8月30日9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔以及回風巷道鉆場鉆孔的抽采負壓、混合流量、瓦斯濃度和純瓦斯流量數據，分別得出了9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔以及回風巷道鉆場鉆孔抽采混合流量、抽采瓦斯濃度、抽采純瓦斯流量、單孔平均抽采混合流量、單孔平均抽采純瓦斯流量與抽采時間(從2018年2月1日起)的關系，如圖2至圖6所示，并通過上述關系分析9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔、回風巷道鉆場鉆孔以及整體的抽采效果。

圖2 總混合流量與抽采時間關系曲線

4.1 總混合流量與抽采時間的關系

1) 從圖2中可以看出，在前43 d(2018年2月1日至2018年4月13日)這段時間各抽采指標的波動比較大，之后開始趨于穩定或有規律的變化。因此將前43 d這段時間稱之為抽采波動期，之后的時間稱之為抽采穩定期。

圖3 濃度與抽采時間關系曲線

2) 在抽采波動期抽采總混合流量并不穩定，其中瓦斯抽采巷低位鉆孔的總混合流量波動最為顯著，瓦斯抽采巷高位鉆孔的總混合流量波動最小。在此期間，瓦斯抽采巷低位鉆孔的總混合流量最高，回風巷道鉆場鉆孔次之，瓦斯抽采巷高位鉆孔最低。這是因為8號煤層層位低，受采動影響快，煤層瓦斯迅速解吸。而6號煤層和5號煤層層位較高，受采動影響的時間較晚。原因是在回采初期，5號、6號煤層的卸壓并不充分，只有少量瓦斯解吸，因此瓦斯抽采巷高位鉆孔能抽出的瓦斯量較少。在抽采波動期瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的瓦斯大部分應該是屬于8號煤層的。

3) 在抽采正常期，各類鉆孔抽采的總混合量都逐漸上升，其中瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合流量上升最為明顯，其由第33 d的20 m3/min提高至第210 d的92.1 m3/min。瓦斯抽采巷低位鉆孔抽采的總混合量由第43 d的24.5 m3/min提高至第217 d的64.2 m3/min。瓦斯抽采巷低位鉆孔和高位鉆孔抽采的總混合流量在第217 d后開始下降?；仫L巷道鉆場鉆孔抽采的總混合流量則由第43 d的25.8 m3/min提高至第144 d的59.2 m3/min，之后則開始下降并趨于穩定。

4) 抽采120 d之后，瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合流量明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔，說明此時高位的5號、6號煤層已充分卸壓，大量的卸壓瓦斯解吸出來之后儲存在周圍的裂隙中。由于5號、6號煤層層位高，同時6號煤層與8號煤層層間距為11 m，因此5號、6號煤層的卸壓瓦斯短時間內不會向下運移到8號煤層，所以5號煤層的卸壓瓦斯大部分被瓦斯抽采巷高位鉆孔抽出，且其濃度較高。而6號、8號煤層與9號煤層層間距小，周圍巖層受9號煤層工作面采動影響顯著，采動裂隙大量發育，這些裂隙將6號、8號煤層與和9號煤層工作面的采空區溝通。由于6號、8號煤層周圍巖層中的采動裂隙與9號煤層工作面采空區溝通，造成瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔終孔的負壓值增大，8號、9號煤層周圍的裂隙則相對封閉。在抽采負壓無太大差別的情況下，瓦斯抽采巷高位鉆孔開口與終孔之間的負壓差將明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔開口與終孔之間的負壓差。這就造成了瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合量明顯比瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔高。

4.2 濃度與抽采時間的關系

1) 在抽采波動期各類鉆孔抽采瓦斯的濃度波動也比較明顯，其中瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采濃度的波動最為劇烈，但其抽采濃度較高。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔抽采濃度的波動較小，但其值較小，只有約20%。

2) 進入抽采穩定期后，瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度逐漸從35.1%提高至80.2%。在第78 d之后雖然瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度有所下降并呈有規律的波動狀態，但總體上其抽采濃度都穩定在60%以上。第198 d之后瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度開始下降。

3) 進入抽采穩定期后，瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔的抽采濃度則呈現兩階段的發展態勢。第一階段為從第43 d至第84 d，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔的抽采濃度比較低，只有10%～20%。第二階段為從84 d之后，瓦斯抽采巷低位鉆孔的抽采濃度先上升后緩慢下降，回風巷道鉆場鉆孔的抽采濃度則呈波浪式上升，濃度從9.6%上升至51%。

4) 瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔，這也是瓦斯抽采巷高位鉆孔終孔層位較高，瓦斯抽采巷高位鉆孔終孔周圍裂隙的封閉性較好，并未與9號煤層工作面采空區明顯溝通，保證了鉆孔開口與終孔之間的負壓差，這才能抽出高濃度的瓦斯。而瓦斯抽采巷低位鉆孔與回風巷道鉆場鉆孔終孔層位低，終孔周圍裂隙與9號煤層工作面采空區明顯溝通，抽采過程中就容易混入采空區的空氣而無法抽出高濃度的瓦斯。

4.3 總純瓦斯流量與抽采時間的關系

1) 抽采波動期各類鉆孔抽采的總純瓦斯流量不穩定，呈現波動狀態，其值都保持在20 m3/min以下。同時瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔抽采的純瓦斯流量。

2) 進入抽采穩定期后，瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量逐步上升。瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第43 d的7.0 m3/min上升至第198 d的68.5 m3/min，之后則開始下降。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場抽采的總純瓦斯流量呈兩個階段。第一個階段是第43 d至第84 d，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔的總純瓦斯流量相對穩定，一直維持在3～4 m3/min。第二個階段是第84 d之后，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔的總純瓦斯流量開始逐漸上升。瓦斯抽采巷低位鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第84 d的2.6 m3/min上升至第218 d的13.8 m3/min，呈穩定上升趨勢，之后則開始緩慢下降?；仫L巷道鉆場鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第84 d日的4.5 m3/min上升至第224 d的24.6 m3/min，期間雖有波動，但總體上呈上升趨勢。

圖4 總純瓦斯流量與抽采時間關系曲線

圖5 單孔平均混合流量與抽采時間關系曲線

4.4 單孔平均混合流量與抽采時間的關系

在抽采波動期瓦斯抽采巷高、低位鉆孔的單孔平均混合流量波動明顯，而回風巷道鉆場鉆孔的單孔平均混合流量則很穩定，一直維持在2～3 m3/min之間。進入抽采穩定期后各類鉆孔的單孔平均混合流量很穩定，只是在第64 d至第104 d之間出現過小幅上升。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風巷道鉆場鉆孔一直保持在3～3.5 m3/min之間，而瓦斯抽采巷高位鉆孔比之略高，保持在4～4.5 m3/min之間。各類鉆孔的打孔平均混合流量在抽采穩定期如此穩定，說明抽采系統穩定正常，各類鉆孔的抽采效率基本一致。