水峪煤业顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术

【摘 要】以水峪煤业10206回采工作面为工程背景，结合采场围岩控制理论，分析了10206回采工作面采空区上覆岩层移动及裂隙发育特征。根据10206回采工作面瓦斯涌出来源分析，来自下邻近层及采空区的瓦斯涌入引起回风巷、上隅角瓦斯浓度偏高。水峪煤业采用顶板长钻孔瓦斯抽采技术对工作面进行瓦斯抽采，提高了工作面瓦斯抽采率，有效降低了回采工作面回风巷、上隅角瓦斯浓度，为治理回采工作面上隅角超限提供了新的思路，对十采区瓦斯治理工作具有一定指导意义。

【关键词】顶板走向长钻孔 顶板裂隙带 瓦斯抽采 上隅角超限

采煤工作面在回采过程中，在采动卸压效果影响下，上覆岩层瓦斯大量涌入采空区，引起上隅角瓦斯浓度增大，根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求绝对瓦斯涌出量大于5m3/min或者用通风方法解决瓦斯问题不合理的采煤工作面，除风排瓦斯外，还必须采取瓦斯抽采措施，随采随抽，确保采煤工作面的安全生产。瓦斯抽放是积极防治瓦斯灾害的有效措施，先抽后采、煤与瓦斯共采已是当务之急，已成为确保煤矿安全生产，提高煤矿效益的关键环节[1]。顶板走向长钻孔瓦斯抽采是利用工作面开采过后采空区上覆岩层移动和裂隙发育规律进行抽采的一种瓦斯抽采方式，它是将抽采钻孔布置在距煤层顶板一定距离的岩层中，在钻孔负压作用下，抽采顶板裂隙和采空区瓦斯，减小涌入采煤工作面的瓦斯量[2]。由于顶板走向长钻孔瓦斯抽采方法流量大、抽采浓度高、工艺简单、工程量小，逐渐发展成为采煤工作面最常用、最有效的瓦斯抽采方法之一。为治理工作面采空区瓦斯、充分发挥顶板走向钻孔瓦斯抽采效果，把顶板走向钻孔的布置层位与工作面的推进速度、顶板岩层的移动和裂隙发育规律结合起来考虑是非常必要的。

随着回采工作面推进，工作面采空区顶板跨落后，瓦斯涌向采空区由上隅角流向回风巷，造成上隅角瓦斯浓度偏高。根据现山西焦煤集团公司的要求，本着“抽采为主，风排与管理并重”的综合治理原则，第一步搞好边掘（采）边抽，解决瓦斯异常涌出和超限，第二步开展区域预抽，实现高瓦斯矿井低瓦斯状态下进行采掘作业。为确保10206工作面的正常安全生产，防治上隅角瓦斯浓度超限，在10206运输巷施工钻场，钻场内施工走向顶板长钻孔对10206工作面采空区的瓦斯进行随采随抽。

1 井田及工作面概况

水峪煤业隶属于山西汾西矿业集团（有限）责任公司，宜兴井田位于山西省中部，吕梁山东麓，井田面积为22.4km2，2014年经山西省煤炭工业厅综合测试中心鉴定，十采区回采工作面最大绝对涌出量为20.84m3/min，原煤瓦斯含量为7m3/min，为高瓦斯区域。10206工作面开采山西组2#煤层，标高+305-445m，走向长度1350m，倾向长度180m。煤层平均倾角为14°，煤层结构简单，层状结构，厚度1.0-2.2m，煤层平均厚度1.65m。老顶为中砂岩，厚度4.7m，坚硬，厚层状；直接顶为砂质泥岩，厚度1.6m，性脆、节理发育；伪顶为页岩，厚度0.3-1.1m，较软，易垮落，直接底为泥岩，厚度0.9m，性软、遇水膨胀；老底为砂质泥岩，厚度2.2m，性脆、节理发育。该工作面采用U型通风方式（材料巷进风，运输巷回风），煤层原始瓦斯含量7m3/t，瓦斯涌出量为15m3/min左右。

2 采空区上覆岩层移动及裂隙发育特征

根据矿山压力理论[3]，随着工作面向前推进，在工作面周围将形成一个采动压力场，采动压力场及其影响范围在垂直方向上由下向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三带。在水平方向上沿工作面推进方向形成重新压实区、离层区和煤壁支撑影响区三区。采动压力场是随工作面的向前推进不断变化的，在采动压力场中形成的大量裂隙，为瓦斯在采空区上覆岩层中的运移和存储提供了通道和空间，为顶板走向钻孔的随采随抽提供了条件。顶板走向长钻孔瓦斯抽采又称顶板裂隙带长钻孔瓦斯抽采，主要是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽采工作面采空区及上隅角涌出的瓦斯[4]。

3 顶板走向钻孔设计方案

顶板走向长钻孔抽采瓦斯的主要现场施工技术参数包括钻孔终点距煤层顶界面垂直高度，钻孔长度，钻孔倾角。在10206运巷距工作面切眼80m处施工1#钻场，已后每隔50m施工一个钻场，钻场规格为宽×高×深=5m×2.7m×5m。在每个钻场内向工作面方向施工顶板裂隙带钻孔15个分三排布置每排5个钻孔。10206工作面采高为2.7m，走向长钻孔终孔位置高度确定为采高的8倍为21.6 m；根据U型通风工作面风流流动与采空区瓦斯涌出之间的关系及采空区瓦斯涌出治理原则，10206工作面倾向长度180m，钻孔终孔控制10206运巷侧工作面40m范围。每组钻场中施工钻孔的压茬长度为30m，钻场采用扩散通风。每施工完一个钻孔后，立即进行封孔，封孔前利用压风将孔内积水、岩屑清理干净，以保证封孔质量，封孔方法采用囊袋自涨式封孔器进行封孔，封孔深度9m。封孔完毕后在孔口安设蝶阀、观测孔（一字阀），将钻孔对接至钻场放水器上，通过3寸高压软管与瓦斯抽采支管路连接，进行瓦斯抽采。抽采流程：10206运巷走向顶板长钻孔→Φ50mm软管总成→钻场气水分离器→10206运巷Φ300mm支管→十采区第二回风巷抽采干管路→十采区移动瓦斯抽采泵站→十采区第二回风巷。

4 效果考察及分析

顶板走向长钻孔抽采过程主要包括预抽期、高浓期、衰减期三期。预抽期钻孔处于回采工作面超前应力区，煤层及顶板受压产生微小裂隙，煤层瓦斯沿顶板裂隙通道涌向钻孔，由于顶板裂隙发育不充分，透气性低，虽然瓦斯抽采浓度高，瓦斯抽采量较低，抽采效果不明显。高浓期钻孔处于回采工作面采空区卸压区，顶板冒落、移动和卸压，瓦斯在采空区的裂隙带不断积聚并由抽采钻孔抽出，此期间瓦斯抽采浓度较高，由于顶板裂隙发育充分，透气性高，瓦斯抽采量大，抽采效果最佳。衰减期由于回采工作面及矿井采用抽出式通风，采空区瓦斯始终涌向工作面推进位置，随工作面不断推进，钻孔逐渐远离采空区的瓦斯积聚区，瓦斯抽采浓度逐渐下降，呈现衰减态势。水峪煤业10206工作面1#钻场内顶板走向长钻孔瓦斯浓度变化趋势，在预抽期钻孔瓦斯浓度较低约为8%，随着工作面的推进瓦斯浓度逐渐变高，其中3#钻孔瓦斯浓度最高达到90%，瓦斯抽采效果最好，在衰减期钻孔瓦斯浓度维持在30%左右。endprint

由以上分析可知，顶板走向长钻孔抽采有以下特点：浓度高且稳定，钻孔终孔垂直位置为回采面的8倍采高，钻孔末端处于采空区裂隙带，有利于高浓瓦斯的稳定抽采；抽采步距大，场钻孔呈扇形布置，钻孔覆盖范围大，距钻场前60m进入高浓期。根据抽采原理，钻场滞后工作面推进位置50m依然在高浓期内，高浓抽采步距达到100m。瓦斯抽采比重大，采空区瓦斯治理效果明显，使10206工作面瓦斯抽采量占工作面瓦斯涌出总量的50%以上，工作面回风流瓦斯浓度在0.3%，上隅角瓦斯浓度在0.6%，工作面瓦斯处于安全浓度范围内，彻底消除了上隅角瓦斯浓度超限的隐患。

顶板走向长钻孔抽采方案在施工钻孔时没有锚杆及锚索的影响，能根据需要调整各钻孔的倾角及钻孔数量。钻孔在抽采时利用时间长，便于抽采钻孔的管理。通过利用顶板走向长钻孔抽采瓦斯，会明显减少该工作面的瓦斯风排量，基本能够杜绝工作面上隅角及回风流瓦斯不超限，确保该工作面安全顺利回采。

5 结语

对水峪煤业10206工作面瓦斯涌出量大原因进行分析针对10206工作面具体地质条件对工作面瓦斯涌出来源进行分析，随着回采工作面推进，工作面采空区顶板跨落，瓦斯涌向采空区由上隅角流向回风巷，是造成工作面瓦斯浓度偏高的主要原因。分析了10206工作面采空区上覆岩层移动及裂隙发育特征，以及顶板走向长钻孔适用条件及优点。顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术具有流量大、抽采含量高、工艺简单、施工工程量小，耗时少的特点，同时又具有很好的瓦斯抽采效果，同时钻场布置在采区巷道附近，可与工作面准备巷道并行作业，有效解决了高瓦斯矿井采掘接替紧张的问题。10206工作面顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术效果分析评价。顶板走向长钻孔抽采方案在施工钻孔时没有锚杆及锚索的影响，能根据需要调整各钻孔的倾角及钻孔数量。通过利用顶板走向长钻孔抽采瓦斯，会明显减少该工作面的瓦斯风排量，大幅提高工作面瓦斯抽采率，基本能够杜绝工作面上隅角及回风流瓦斯不超限，确保该工作面安全顺利回采。10206运巷布置钻场内的钻孔由原来的2排钻孔调整为3排后增加了钻场布置钻孔数量，在钻孔使用搭接时始终能保持有高倍钻孔正常抽采。增加瓦斯抽采量及提高了瓦斯抽采效果。

参考文献：

[1] 吴财芳，曾勇，秦勇.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J].中国矿业大学学报，2004（2）：137-140.

[2] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992：95-108.

[3] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.

[4] 王海锋，程远平，沈永铜，刘海波.高产高效工作面顶板走向钻孔瓦斯抽采技术[J].采矿与安全工程学报，2008（2）：168-171.

作者简介：赵爱国（1980—），男，山西平遥人，本科，毕业于中国矿业大学，助理工程师，研究方向：瓦斯抽采。endprint