綜采面采空區大孔徑瓦斯抽采技術應用

姚美紅

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

隨著科技的不斷發展，煤礦企業的安全保障能力得到大幅提升。伴隨回采速度的加快，對瓦斯管控要求更高，瓦斯治理任務愈加繁重。綜采工作面生產效率提高造成采空區瓦斯涌出量的增加［1-3］。采空區瓦斯治理通過多巷道布置，加強通風的方式來稀釋瓦斯濃度的治理方法效果較差，造成很多安全隱患。2016 版《煤礦安全規程》中規定禁止綜采工作面采用瓦斯專排巷作為瓦斯治理手段［4-8］。綜采工作面急需新的瓦斯抽采工藝，以解決采空區瓦斯含量高的難題。大孔徑瓦斯抽采，指用大口徑鉆機打設瓦斯抽采鉆孔，下套管路，然后對工作面進行封閉式瓦斯抽采，相比在工作面中布置多條聯絡巷進行抽采的方案瓦斯抽采效果更好，方便管理，減少投資，適合在高瓦斯礦井中進行推廣。

1 工程概況

南凹寺煤業屬于高瓦斯礦井，主采3#、9#以及15#煤層，礦井生產能力為0.60 Mt/a，30401 綜采工作面主采3#煤層，平均煤厚為4.3 m，平均煤層傾角6°，煤層瓦斯平均含量9.55 m3/t，工作面走向長度為2 010 m，傾向長度為176 m，采用U型通風方式。

2 采空區瓦斯治理分析

目前綜采工作面采空區和回風隅角瓦斯積聚超限的治理方法主要有兩種，一種是通風系統優化，另一種是瓦斯抽放。優化通風系統只是瓦斯治理的輔助手段，礦井瓦斯治理的主要方法還是瓦斯抽放。將綜采工作面采空區和工作面內部的瓦斯抽出，實現消除瓦斯災害對工作面安全生產的影響。

2.1 通風系統優化

（1）工作面通風量加大，由于綜采工作面回采速度大幅增加，采空區瓦斯和工作面回風隅角瓦斯濃度超限，只靠工作面以往的正常通風量，無法有效吹散回風隅角積聚瓦斯，工作面通風量加大可以加強工作面主風流和回風隅角瓦斯積聚處的對流效果，同時也會造成采空區負壓增加，加速采空區內部瓦斯流動速度，使回風流內瓦斯含量增加，因而會造成回風巷瓦斯超限的安全隱患。

（2）安裝局部通風機，工作面回風隅角是瓦斯容易積聚的區域，在此處安裝局部通風機，增加回風隅角局部風量，能夠降低瓦斯濃度，防止瓦斯大量積聚造成超限。

（3）安裝抽出式風機，在工作面安裝抽出式風機，將風筒口連接至瓦斯容易積聚的區域，抽出式風機能夠通過風筒將風筒口處瓦斯抽入風筒，并和風筒內風流稀釋，隨之排入回風巷。

2.2 工作面瓦斯抽放

（1）回風隅角懸管抽放，通過將瓦斯抽放支管路安裝到工作面回風隅角頂板和采空區側，對回風隅角積聚瓦斯進行抽采，由于支管路的瓦斯抽放量有限，因此，這種方法不適合在煤層瓦斯含量大的工作面使用。

（2）高位鉆場瓦斯抽放，在回風巷頂板施工瓦斯抽放鉆孔，在工作生產過程中，回風隅角頂板裂隙會隨著工作面采動與回風巷頂板鉆孔溝通，抽放系統通過裂隙負壓對回風隅角瓦斯進行抽采。

無論是通風系統優化還是瓦斯抽放治理都具有一定的局限性，雖然對工作面瓦斯濃度降低起到一定的作用，但工作面回風隅角瓦斯在工作面采用U型通風系統時，無法徹底解決其積聚情況，瓦斯流場得不到改變，回風隅角瓦斯超限情況依然存在。

3 大孔徑瓦斯抽采技術

大孔徑鉆孔瓦斯抽采技術能夠對工作面及采空區瓦斯進行大流量抽采。而且瓦斯抽放系統負壓可自由調控，能夠徹底改變工作面回風隅角瓦斯流場，使回風隅角瓦斯不再出現積聚現象，能有效治理工作面回風隅角瓦斯濃度超限。30401 工作面決定采用大孔徑鉆孔瓦斯抽采技術進行瓦斯治理。

3.1 鉆孔施工

鉆機設計選擇礦用履帶式ZDJ10000L型坑道鉆機，該鉆機具備完善的電液控系統、主機以及輔助系統，配備550 mm大直徑鉆頭及螺旋鉆桿，高度自動化，鉆進過程可自動運行，能夠大幅節約人力投入，履帶式行進更具靈活性和機動性，550 mm大直徑鉆頭配合螺旋鉆桿能夠一次性成孔，鉆進深度達100 m以上。瓦斯抽采鉆孔的施工工藝分為兩個步驟：

（1）鉆孔打設，按設計在指定位置施工鉆孔，ZDJ10000L鉆機配備的螺旋鉆桿可在鉆進過程中自行排渣，保證鉆孔一次性成孔，按設計要求打鉆完成后，對成型鉆孔下入套管，防止鉆孔受壓力影響出現塌孔。

（2）封孔抽放，鉆孔打完并下套管后，使用封孔材料對其進行封孔，封孔長度不小于3 m，保證封孔嚴密，將封孔材料密實地填充至套管與鉆孔內壁之間的空隙中，然后下入瓦斯抽放管路，并將孔口封堵固定，保證管口穩定，連入抽采系統進行瓦斯抽放，見圖1。

圖1 大孔徑鉆孔封孔

3.2 孔間距及鉆孔參數

根據瓦斯抽采治理經驗，30401 工作面內采空區及回風隅角瓦斯受風流、煤層瓦斯含量、煤層裂隙分布影響，瓦斯移動軌跡難以把握，而且隨著采空區內垮落，瓦斯移動軌跡會隨之改變。根據我礦的實際情況，通過模擬軟件對不同孔間距的大孔徑鉆孔瓦斯抽放數據進行數值模擬分析，結果見表1。通過數值模擬可知，瓦斯抽采量隨孔間距增大而增大，鉆孔距離越遠，工作面回風隅角瓦斯濃度越高。結合礦井瓦斯地質條件以及煤柱情況，選擇孔間距為10 m。根據鉆機參數以及工作面現場情況，鉆孔參數見表2。

表1 大孔徑鉆孔瓦斯抽放效果數值模擬

表2 大直徑鉆孔參數

4 應用效果

自2019年4月，綜采工作面順槽以10 m孔間距，35 m鉆孔深度共施工37 個大孔徑瓦斯抽采鉆孔。圖2 為孔內瓦斯濃度變化情況，由圖2 可知，孔內瓦斯濃度隨工作面推進而逐漸增大，工作面在推進至25 m時，1#孔內瓦斯濃度最大達到3.8%。當鉆孔進入采空區后，瓦斯濃度升高，隨機調節工作面后方鉆孔閥門，使其瓦斯濃度與新開鉆孔保持均衡，此時工作面整體瓦斯濃度在2.5%。

圖2 孔內瓦斯濃度變化

圖3 為工作面回風隅角瓦斯濃度分布情況，由圖3 可知，隨著工作面的推進，大孔徑瓦斯抽采鉆孔逐漸進入采空區，工作面回風隅角瓦斯濃度上升，0～25 m時上隅角瓦斯濃度曲線呈上升趨勢，隨后有所降低；工作面回風隅角瓦斯濃度出現整體波動，在工作面采掘過程中，回風隅角瓦斯濃度穩定在0.25%～0.6%之間，整體可控。鉆孔交替期間，回風隅角瓦斯濃度偶爾逼近0.7%，工作面回風巷能夠滿足瓦斯排放需求。

圖3 回風隅角瓦斯濃度分布

實際應用表明，大孔徑鉆孔瓦斯抽采技術能夠有效解決綜采工作面采空區及回風隅角瓦斯超限問題。

5 結語

大孔徑鉆孔瓦斯抽采技術對綜采工作面采空區以及回風隅角瓦斯治理效果顯著，同時具有施工簡單、成本投入低、施工速度快等優點，不僅降低瓦斯治理的成本投入，還能夠使工作面生產進度得到提高。

鉆孔在施工完成后，應對成孔下套管保護，防止塌孔導致鉆孔報廢。在工作面回采過程中，大孔徑鉆孔瓦斯抽采技術能夠通過孔口閥門的調節來確保回風隅角始終保持在瓦斯抽采的有效區域內，在整個瓦斯抽采的過程中，工作面通風系統較為穩定，回風隅角和采空區瓦斯濃度始終保持在可控范圍內，確保了工作面回采期間的安全。