基于综采工作面通风方式的高位钻孔优化布置及效果分析

吉振光

(晋城煤业集团寺河矿)

综采工作面在取消尾巷通风后，工作面上隅角和采空区瓦斯治理变得尤为重要，目前解决办法主要有采空区闭墙埋管和高位钻孔抽放瓦斯，抑制采空区瓦斯涌出。但是不同的通风方式导致的采空区瓦斯流场不同，对于高位钻孔的布置也提出了不同的要求，部分高位钻孔虽然能够抽放冒落带和裂隙带中瓦斯，但是对于综采工作面的瓦斯治理起不到应有的作用[1]。

针对部分高位钻孔抽放效果差，综采工作面上隅角和采空区瓦斯涌出量大的问题，以寺河矿5309U型通风工作面为基础，结合W2302(中段)尾部通风工作面上隅角和架间瓦斯异常涌出的情况，对于高位钻孔的布置进行变更和优化，以期改善抽放效果。

1 工作面概况

寺河矿是煤与瓦斯突出矿井，开采3#煤层，矿井东井区绝对瓦斯涌出量为970.59 m3/min，相对瓦斯涌出量为116.92 t/min；西井区绝对瓦斯涌出量为970.59 m3/min，相对瓦斯涌出量为116.92 t/min；煤层属于Ⅲ类，不易自燃。

5309工作面煤层地面标高为+576～+659 m，工作面倾向长301.5 m，走向长972.9 m。煤层平均厚5.9 m，伪顶为0.7 m厚炭质泥岩，直接顶为1.12 m 厚粉砂质泥岩，老顶为6.23 m厚细粒砂岩。工作面采用“三进一回”U型通风方式，见图1。

图1 5309工作面通风方式示意

W2302工作面地面标高为+629.5～+768.4 m，工作面倾向长295.3 m，走向长904.23 m。煤层平均厚6.3 m，伪顶为0.4 m厚泥岩，直接顶为2.15 m厚砂质泥岩，老顶为6.50 m厚细粒砂岩。工作面采用“三进一回”尾部通风方式，见图2。

2 综采工作面高位瓦斯抽采现状

综采工作面上隅角和采空区瓦斯处理主要通过闭墙埋管和高位钻孔采空区抽放，其中采空区埋管抽放是在已封闭巷道闭墙上部预埋PE377瓦斯管路，利用大流量抽放采空区瓦斯，同时配合上隅角提前布置的抽排风筒，抽放上隅角附近的局部瓦斯，见图3。但是采空区闭墙埋管抽放受工作面漏风影响，抽放浓度较低，抽放量较小，当煤体瓦斯含量较大时，工作面瓦斯治理受到了很大限制。

图2 W2302工作面通风方式示意

图3 采空区闭墙埋管抽放示意

为了从根本上解决采空区瓦斯的问题，利用巷道内钻场，在工作面回采之前，采用千米钻机以大倾角上仰开孔钻进至煤层顶板，使钻孔进入工作面回采后的采空区O型圈内裂隙带并沿其延伸；由于施工钻孔长，且主要孔段均在O型圈裂隙带内延伸，钻孔可长期稳定存在，以工作面回采时采动压力形成的顶板裂隙作为通道能够有效抽采工作面煤壁释放的瓦斯，从而实现工作面上顶板裂隙和采空区瓦斯区域抽采。根据工作面现场实际经验，结合工作面采动覆岩“三带”分布特征[2]，确定高位钻孔的布置层位为工作面采高的6～8倍，即钻孔距离煤层顶板30～48 m层位，见图4。

3 综采工作面通风方式对高位钻孔布置方式抽放效果分析

5309工作面采用“三进一回”U型通风方式，工作面回风流和工作面推进方向一致，而W2302工作面采用“三进一回”尾部通风方式，工作面回风流和工作面推进方向相反，2个工作面在回采初期的高位钻孔布置均是在工作面回采前利用千米钻机提前施工，钻孔布置层位为工作面采高的6～8倍。但是在工作面回采过程，高位钻孔的抽放量相差较大，同时W2302工作面风流瓦斯也出现了较大波动，对比结果见表1。

图4 综采工作面高位钻孔布置方式

表1 高位钻孔抽放量及工作面风流瓦斯对比

由表1可以看出，5309工作面高位钻孔瓦斯抽放量是W2302高位钻孔抽放量的2.5倍左右，工作面风流平均瓦斯浓度较W2302工作面减少0.2个百分点左右，5309工作面高位钻孔抽放效果比W2302工作面抽放效果好。

由于5309工作面回风流方向和工作面推进方向一致，W2302工作面回风流方向与工作推进方向相反。由于通风方式的不同，对采空区瓦斯流场产生了较大影响，通过利用FLUENT数值软件模拟2种通风方式的采空区瓦斯流场分布[3]，5309工作面上隅角以里采空区高浓度瓦斯分布较W2302工作面更加靠前，且在回风隅角侧瓦斯浓度相对较高。

根据上述分析可知，在5309工作面闭墙埋管负压抽放所形成的瓦斯流场区域与高位钻孔抽放所形成负压区域是一致的，更有利于采空区瓦斯的集中抽放；而W2302工作面刚好相反，闭墙抽放所形成的瓦斯流场是趋向于回风流流动的方向，高位钻孔形成负压场和回风流流动的方向相反，采空区的高浓度瓦斯更加靠近采空区深部，由于千米钻机施工的高位钻孔布置在采空区裂隙带中，高位钻孔的完整性在工作面回采过后不能长时间保存，无法抽放采空区深部瓦斯，因此，尾部通风综采工作面采用上述高位钻孔布置方式，其抽放效果较U通风方式工作面较差，需对尾部通风方式进行优化。

4 尾部通风综采工作面钻孔优化及效果分析

通过对W2302工作面尾部通风方式进行采空区瓦斯流场分析，结合原有的超前千米高位钻孔布置，在W23024巷回风侧距离通风横川100 m位置利用普通钻机施工一组高位钻孔，高位钻孔布置层位在25～40 m，共施工6个孔，W2302尾部通风工作面高位钻孔布置和部分钻孔设计见图5、图6。

图5 W2302尾部通风工作面高位钻孔布置

在普通钻机高位钻孔施工完毕后，对优化后的钻孔瓦斯抽放量进行测定，结果见表2。可以看出，优化后的高位钻孔瓦斯抽放量和抽放浓度较高，超前施工千米钻机高位钻孔瓦斯抽放量较前期有所下降，但高位钻孔总抽放量明显提升，达到25.08 m3/min；同时对各个钻孔层位比较，发现优化后钻孔层位布置在顶板以上35 m时抽放效果最佳。

图6 优化钻孔设计(单位：m)

表2 W2302工作面优化钻孔施工后抽放量情况表

注：2#钻孔堵孔。

W2302工作面优化钻孔施工完毕后，工作面在生产过程中瓦斯浓度和瓦斯抽放量发生较大变化，见表3。通过对比发现，W2302工作面高位钻孔的平均抽放量由原来的8.02 m3/min提升至24.72 m3/min，抽放量提升了2倍；工作面风流平均瓦斯浓度由原来的0.58%降低至0.42%，降低27个百分点，瓦斯治理能力得到了很大提升。

表3 W2302工作面优化前后钻孔抽放量及风流瓦斯对比

5 结 论

(1)通过对W2302尾部通风工作面和5309U型通风工作面比较可以看出，超前施工千米钻机高位钻孔对于尾部通风综采工作面抽放效果较差，抽放量较低。

(2)在W23024巷采用普通钻机施工优化高位钻孔后，工作面的高位钻孔的平均抽放量提升了2倍，达到24.72 m3/min，工作面风流瓦斯浓度降低了27个百分点，平均瓦斯浓度为0.42%，抽放效果明显。

(3)优化钻孔布置层位在顶板以上35 m左右抽放量最大，单孔瓦斯抽放量达到9.18 m3/min,更有利于解决尾部通风方式采空区瓦斯涌出。

[1] 黄 涛，黄光利.特厚煤层综放工作面高位钻孔的优化布置及效果分析[J].煤炭工程，2017,42(S2)：62-64,68.

[2] 李 朝，翟艳鹏.高瓦斯煤层群首采层“Y”型通风瓦斯抽采技术[J].煤矿安全，2017(2)：77-80.

[3] 董钢锋，邹银辉，王 振，等.尾巷对采空区瓦斯流畅影响的数值模拟[J].矿业安全与环保，2012(5)：19-21.