伏巖煤礦3202工作面瓦斯治理技術研究與應用

梁淑慶

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限公司，山西 陽城048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限責任公司3202工作面位于二采區大巷西側，南鄰3201采空區，北面為實體煤，東鄰二采區大巷。工作面走向長853 m，傾斜長190 m，開采的3號煤層均厚4.96 m，平均傾角4°；煤層結構穩定，頂板巖層為粉砂質泥巖和細粒砂巖，底板巖層為炭質泥巖和粉砂質泥巖，根據礦井地質資料可知，屬于煤與瓦斯突出煤層；煤層原始瓦斯含量為10.81～14.7 m3/t，原始瓦斯壓力為1.01～1.51 MPa，采用“U”型通風，為保障回采期間的安全，特進行瓦斯抽采方案及抽采效果的分析。

2 瓦斯抽采方案

根據3202工作面的地質及瓦斯賦存特征，結合眾多理論研究與工程實踐結果[1-3]，確定采用地面鉆孔+高位鉆孔+定向長鉆孔相結合的瓦斯治理方案，具體各項瓦斯抽采措施的設計原則及參數如下：

2.1 地面鉆孔抽采

在進行地面鉆孔抽采方案設計時，需確定鉆孔的合理層位和鉆孔間距；其中地面鉆孔的合理布置層位為覆巖裂隙帶的中下部[4]，進一步根據“O”型圈理論，確定將鉆井布置在覆巖“O”型圈里邊可實現較好的效果，根據工作面通風方式可知，采空區的瓦斯主要集中在回風巷一側，確定地面鉆孔布置在距離回風巷20～60 m處。根據地面鉆孔的抽采經驗數據可知，地面鉆孔的抽采半徑在100～200 m之間，為保障抽采效果，確保抽采鉆孔存在一定的重疊區域，確定地面鉆孔的抽采半徑為120 m。鉆孔布置形式見圖1。

圖1 地面鉆孔?布置方式示意圖

基于上述地面鉆井的布置原則，確定在3202工作面走向間距100～120 m內均勻布置地面鉆孔，終孔位置位于冒落帶中下部，鉆孔深度為400～423 m范圍內，鉆孔間距在30～170 m范圍內。

2.2 高位鉆孔抽采

在進行高位鉆孔抽采方案設計時，主要考慮的參數有鉆場間距、鉆場內鉆孔個數、鉆孔間距，具體參數確定過程如下：

1）鉆場間距：間距設計時，應取保鉆場鉆孔在抽采范圍內存在一定的重合，每個鉆孔均可實現高濃度的抽采，基于工作面的地質資料可知，回采后冒落帶的高度為0～13 m，當前一個鉆場接近冒落帶區域時，后續鉆場應進入到適宜的抽采區域，據此確定鉆場的間距為80 m，鉆場間的壓茬長度為30 m。

2）鉆場內鉆孔個數：高位鉆孔布置時，鉆場內鉆孔的數量越多，瓦斯抽采范圍便會越大，結合工作面的瓦斯賦存情況，確定每個鉆場內布置10個鉆孔。

3）鉆孔間距：鉆孔的間距主要包括2個因素，分別為鉆孔開孔位置和終孔位置間距，根據相關理論研究可知[5]，鉆孔間距一般不小于0.5 m，終孔間距一般在5 m以上時可有效避免抽采范圍的重疊，實現瓦斯的高效抽采；基于上述分析，確定鉆孔開孔間距為0.4 m，終孔間距在6～10 m，終孔布置在裂隙帶的中下部，距離工作面頂板15～30 m的范圍內。

工作面高位鉆孔布置在巷道回風巷內，根據工作面特征可知，工作面回采后，在工作面傾向方向上覆巖裂隙主要集中在0～65 m的范圍內，此時易進行瓦斯抽采，據此確定高位鉆孔與回風巷間的水平間距為0～65 m，鉆孔在距鉆孔底板1.5 m的位置開孔，鉆孔直徑113 mm，深度為61～82 m范圍內，封孔長度為18 m，高位鉆孔布置形式如圖2所示。

圖2 高位鉆孔布置形式平面圖

2.3 定向長鉆孔抽采

定向長鉆孔瓦斯抽采參數主要包括：鉆孔水平層位、垂直層位、鉆孔孔徑及封孔長度，具體定向長鉆孔布置參數如下：

1）水平層位確定:根據“O”型圈理論可知[6]，長鉆孔布置時應避開中部的壓實區域，布置在卸壓范圍內，結合工作面特征及眾多工程實踐結論，確定定向長鉆孔與回風巷間的水平距離為0～65 m。

2）垂直層位的確定：根據3202工作面的覆巖“三帶”的分布規律可知，覆巖冒落帶高度為0～13 m，裂隙帶高度為13～40 m，在進行定向長鉆孔布置時，為避免覆巖運動對長鉆孔的破壞，需將鉆孔層位布置在裂隙帶的中下部，基于此確定長鉆孔在垂直方向上的層位為18～21 m。

3）鉆孔孔徑及封孔長度：根據工作面瓦斯治理需要及礦井現有瓦斯抽采設備條件，確定鉆孔的終孔孔徑為133 mm[7]，為確保鉆孔抽采效果，設置定向長鉆孔封孔長度為30 m，封孔采用聚氨酯材料。

3202工作面定向長鉆孔工作面風巷內，共計布置5個鉆孔，鉆孔間的平行距離為15.1～15.6 m，1號鉆孔長度為460 m，2-5號鉆孔長度均為500 m，具體定向長鉆孔軌跡圖如圖3。

圖3 定向長鉆孔布置軌跡示意圖

3 瓦斯抽采效果分析

為分析3202工作面瓦斯抽采方案的合理性，在地面鉆孔、高位鉆孔及定向長鉆孔抽采期間均進行瓦斯抽采濃度及抽采流量的監測分析，具體各項抽采措施的應用效果如下：

1）地面鉆孔抽采效果。根據地面鉆孔抽采期間的瓦斯監測結果可知，不同地面抽采鉆孔的抽采瓦斯濃度和抽采純量的變化曲線基本呈現為相同的變化趨勢，現以新3號和新4號孔進行分析，鉆孔抽采瓦斯純量及濃度隨時間的變化曲線如圖4所示。

分析圖4可知，新3號孔和新4號孔在抽采初期，由于鉆孔并未進入卸壓區域，導致抽采瓦斯濃度和流量均較小，隨著工作面回采作業的進行，鉆孔抽采瓦斯純量和濃度均逐漸增大，當工作面推進過新3號鉆孔80～120 m時，鉆孔的最大瓦斯抽采純量和抽采濃度均達到了最大值，分別為2.91 m3/min和49.7%，隨著工作面的進一步推進逐漸遠離鉆孔，采空區覆巖中的裂隙逐漸被壓實，當工作面過鉆孔230 m時，鉆孔抽采的瓦斯濃度及純量均逐漸衰減；新4號鉆孔在工作面回采90 m，抽采瓦斯純量和濃度達到最大值，分別為5.48 m3/min和47.5%，在工作面遠離新4號孔250 m以后，瓦斯抽采效果逐漸降低，但仍存在一定的抽采量；基于上述分析可知，地面鉆孔抽采作用范圍較大，抽采效果較好。

圖4 瓦斯抽采濃度及純量隨時間變化曲線圖

2）高位鉆孔抽采效果。根據高位鉆孔瓦斯抽采期間的監測數據，現以2號高位鉆場的瓦斯抽采純量和抽采濃度曲線進行具體分析，曲線圖如圖5。

分析圖5可知，在工作面回采期間，2號鉆場高位鉆孔抽采混合量的平均值為15.34 m3/min，最大值為23.1 m3/min，抽采瓦斯平均濃度為7.05%，抽采濃度最大值為13.5%，瓦斯抽采濃度及抽采純量均較大，抽采效果良好。

3）定向長鉆孔抽采效果。工作面回采期間，定向長鉆孔共計抽采89d，根據抽采監測結果可知，定向長鉆孔抽采瓦斯濃度和抽采純量曲線圖如圖6所示。

分析圖6可知，工作面回采期間，定向長鉆孔的抽采濃度和抽采純量曲線均呈現為先增大后減小的趨勢，鉆孔平均瓦斯抽采濃度為14.06%，平均瓦斯抽采純量為0.65 m3/min，抽采效果良好。

4）回風巷及上隅角瓦斯濃度。為驗證分析工作面抽采方案實現的整體抽采效果，在工作面回采期間進行上隅角和回風巷瓦斯濃度的監測，根據監測結果得出如圖7所示的曲線圖。

分析圖7可知，3202工作面在現有瓦斯抽采方案下，工作面回采期間上隅角的瓦斯濃度在0.11%～0.33%的范圍內，平均瓦斯濃度為0.18%，回風巷內的瓦斯濃度在0.06%～0.27%的范圍內，平均瓦斯濃度為0.14%，遠低于規程規定的限值，即表明抽采方案有效解決了工作面瓦斯含量高的問題。

4 結論

根據3202工作面的地質及瓦斯賦存條件，確定工作面采用地面鉆孔+高位鉆孔+定向長鉆孔相結合的瓦斯抽采方案，通過分析抽采措施的設計原則，基于工作面特征進行具體抽采參數的確定，根據抽采方案實施時的監測分析可知，各項抽采措施抽采效果較高，抽采效果顯著，保障了工作面的安全回采。