東大煤礦采空區瓦斯抽放設計與應用

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

東大煤礦主要開采3#煤層，采用一次采全高綜合采煤工藝，平均開采高度為5.3 m。通過前期對東大煤礦的地質勘察資料分析可知，當礦井生產能力每年達到500萬t時，礦井相對瓦斯涌出量為29.1 m3/t，絕對瓦斯涌出量為306.4 m3/min，其中回采工作面絕對瓦斯涌出量為202.3 m3/min，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為33.4 m3/min，采空區絕對瓦斯涌出量為70.7 m3/min。經鑒定，14151工作面瓦斯含量為12.5 m3/t，瓦斯壓力在1.2～1.4 MPa之間，屬于突出危險工作面。

東大煤礦瓦斯抽采系統由8臺2BEC120型瓦斯抽采泵組成，其中6臺服務本煤層和穿層鉆孔預抽，3用3備，2臺服務采空區和低位高抽巷瓦斯抽采，1用1備。根據3#煤層瓦斯賦存規律以及礦井開拓方式，東大煤礦瓦斯防治采用地面井抽采先行、本煤層抽采為主、穿層鉆孔抽采為輔、采空區瓦斯加強抽采的綜合瓦斯抽采方法。通過井上井下聯合抽采，預抽與邊采邊抽、邊掘邊抽相結合，達到預防瓦斯突出，保證礦井安全生產的目的。

采空區瓦斯是煤礦回采過程中涌出瓦斯的主要組成部分，當采空區瓦斯涌出量較多時，回采工作面瓦斯濃度容易超限。采空區瓦斯治理不同于回采工作面瓦斯治理的方法，增加工作面風量，可能使采空區漏風更加嚴重，增加采空區對工作面的瓦斯涌出量。因此，治理采空區瓦斯需要采用合適的方法，通過高位抽放可以有效地解決工作面上隅角瓦斯超限的問題。采用合理的鉆孔設計參數，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，對采空區瓦斯綜合治理以及礦井工作面安全回采具有重要的作用[1-5]。

2 采空區瓦斯抽放設計

2.1 鉆孔布置層位

采空區“三帶”分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。采空區上覆巖層向下移動首先形成冒落帶，瓦斯賦存在冒落巖層的裂隙中，通過布置高位鉆孔可以將裂隙中的瓦斯抽放出來。隨著工作面的推進，在采空區會形成冒落拱，在冒落拱附近裂隙較為發育，垂向裂隙所占比例較高，將工作面高位鉆孔布置在裂隙帶中，能夠有效提高采空區瓦斯抽放量。工作面高位鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 高位鉆孔布置示意圖

2.2 鉆孔參數計算

（1）鉆孔有效高度計算

根據東大煤礦開采煤層厚度、開采工藝以及上覆巖層巖性等參數，采用經驗法計算鉆孔有效高度。冒落帶高度與上覆巖層的碎脹性有關，通常情況下為煤層厚度的3～5倍，采用公式（1）計算冒落帶高度：

式中：Hm為冒落帶高度，m；M為煤層開采厚度，m。

東大煤礦平均煤層開采厚度為5.3 m，根據式（1）計算冒落帶高度為9.9～14.3 m。

裂隙帶高度根據公式（2）計算得到：

式中：Hl為裂隙帶高度，m。

通過公式（2）計算得到裂隙帶高度為38.3～49.5 m。

鉆孔布置層位應在冒落帶上方，裂隙帶中下部位。綜合考慮現場地質因素與施工情況，選取鉆孔有效高度范圍為20～43 m。

（2）鉆孔布置數量

鉆孔布置數量由抽放瓦斯量以及封孔管的直徑等因素決定，具體計算公式如式（3）：

式中：N為鉆孔數量，個；Q為瓦斯抽放總量，m3/min；D為封孔管直徑，m；V為瓦斯流速，m/min；C為抽放管內瓦斯濃度，%。

高位鉆孔需抽采采空區瓦斯總量為16.71 m3/min，直徑為0.113 m，瓦斯濃度為8%，瓦斯流速取900 m/min。根據公式（3）計算得到鉆孔數量約為5.79個，考慮到瓦斯涌出的不均勻性、成孔完整性以及考慮一定的安全范圍，鉆孔數量設計為8個。

（3）鉆孔封孔深度

根據經驗及現場實踐應用，高位鉆孔封孔深度取8 m。同一鉆場各鉆孔的封孔深度應保持一致。

（4）鉆場布置間距

為了能夠有效地抽采出采空區內瓦斯，鉆場布置間距應保證每個鉆孔終孔位置在前一個鉆孔的有效長度范圍內。鉆場間距布置示意圖如圖2。公式（4）為鉆孔的有效利用率。

圖2 鉆場間距布置示意圖

式中：Hz為鉆孔終孔高度，m；Hm為冒落帶高度，m。

鉆孔的有效長度根據公式（5）計算得到。

式中：L有效為鉆孔有效長度，m；L孔為鉆孔實際長度，m。

根據公式（6）確定鉆場間距。

式中：L間距為鉆場間距，m；α為鉆孔仰角，（°）。

通過計算結合現場施工情況，鉆場合理布置間距取60 m。

3 工業性試驗

3.1 高位鉆孔施工參數

以東大煤礦14151工作面為研究對象。工作面采用U型通風方式，即工作面一側布置運輸巷為進風巷，另一側布置回風巷進行回風。同時在回采過程中及時密封采空區兩側原有聯絡巷，防止采空區漏風造成瓦斯大量涌出。

采空區瓦斯抽放鉆場布置在14151工作面回風巷內，在距切眼160 m處開始布置。鉆場間距60 m，每個鉆場布置8個鉆孔，鉆孔直徑為113 mm，鉆孔的有效高度為20～43 m，采用PVC管配合馬麗散進行封孔，封孔長度不小于8 m。14151工作面通風方式及高位鉆孔布置示意圖如圖3。以第四鉆場為監測對象，安裝4組孔板流量計，監測鉆場瓦斯混合流量以及瓦斯濃度。第四鉆場的詳細鉆孔參數見表1。

表1 第四鉆場高位鉆孔參數表

圖3 14151工作面通風方式及高位鉆孔布置示意圖

3.2 瓦斯抽采效果分析

對第四鉆場鉆孔抽采瓦斯濃度與瓦斯純量隨工作面推進距離的變化情況分析，進而驗證高位鉆孔布置參數的合理性。瓦斯濃度和瓦斯純量隨推進距離變化曲線如圖4。

從圖4中可以看出，隨著14151工作面的不斷推進，采空區裂隙帶逐漸發育，鉆孔瓦斯濃度和瓦斯純量也逐漸升高，瓦斯濃度最高達到14.5%，瓦斯純量最高達到1.4%。1號孔在46～120 m范圍抽放瓦斯效果顯著，2號鉆孔在46～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，3號孔在90～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，4號孔在40～130 m范圍抽放瓦斯效果較好，整體瓦斯抽放效果得到明顯提高。

圖4 抽放瓦斯與工作面推進距離關系圖

4 結語

（1）采空區瓦斯是回采工作面瓦斯的主要來源，采用高位鉆孔可以對采空區瓦斯進行有效抽放，采用合理的鉆孔設計參數，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，保證工作面回采能夠安全有序進行。

（2）對14151工作面采空區瓦斯抽放鉆孔進行設計，合理設計鉆孔參數可以有效提高瓦斯抽采效果。高位鉆孔布置層位應在冒落帶上方，裂隙帶中下部位，每個鉆場布置8個抽采鉆孔，鉆場間距取60 m。隨工作面的不斷推進，采空區裂隙帶逐漸發育，鉆孔抽采瓦斯濃度和瓦斯純量逐漸升高。