高突矿井大采高工作面瓦斯抽采技术及实践*

李 宏，刘明举，高 宏

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

0 引言

随着煤炭开采机械化水平的提高，加之煤层开采深度以5～10 m/a的幅度向深部区域延伸，矿井瓦斯涌出量、瓦斯含量和瓦斯压力逐年增大的趋势明显[1-3]。对于回采面回采期间的瓦斯治理由单一的顺层钻孔抽采向多源头的立体化瓦斯抽采模式转变，采面通风方式亦由传统的U型通风向“两进一回”、沿空留巷等通风方式转变[4-5]。对于晋城矿区开采的厚煤层而言，上述转变虽可一定程度缓解回采面回采期间异常瓦斯涌出导致的瓦斯超限问题，但上隅角瓦斯浓度仍处于0.8%～1.0%的高风险值，给安全生产带来巨大隐患，采用低位、中位及高位钻孔等多源头的瓦斯抽放方式就显得尤为必要[6-8]。

寺河矿东井区为煤与瓦斯突出矿井，核定生产能力4.0 Mt/a，可采煤层为二叠系下统山西组3号煤层和石炭系上统太原组9号和15号煤层，不可采煤层5号煤层和7号煤层处于3号煤层和9号煤层之间，5号煤层距3号煤层底板14 m。目前开采的3号煤层平均厚度5.64 m，平均埋深470 m，原始瓦斯含量17～28 m3/t，原始瓦斯压力1.2 MPa，煤层透气性系数为2.05 m2/(MPa2·d)，最大吸附常数a为值47 m3/t·r，煤层具有突出危险性。东五盘区是寺河矿东井目前的生产盘区，回采工作面采用一次采全高回采工艺。由于该矿煤层赋存条件稳定，盘区内地质构造简单，采用的大采高回采工艺可有效提高矿井产能，但由于大采高开采方式具有回采速度快、机械化程度高等生产特点，导致本煤层、临近层及采空区瓦斯在采动影响下会异常涌出，若瓦斯治理措施不到位，极易造成工作面上隅角瓦斯超限事故发生，威胁到矿井安全高效生产。

1 东五盘区采面瓦斯问题

东五盘区首采面为已回采结束的5301工作面，5302工作面为东五盘区第2个回采工作面。5301工作面回采前，经过地面钻井超前抽采、本煤层区域和局部抽采措施后，煤层瓦斯含量有所降低，但受生产衔接紧张的影响，采面部分区域煤体的瓦斯含量仍较高。5301工作面采用“三进两回”通风系统，回采期间回风巷瓦斯浓度一直保持在1.0%左右，风排瓦斯涌出量为70 m3/min，总瓦斯涌出量为115 m3/min，发生多起矿井内控瓦斯超限事故。5301工作面采用的通风方式存在如下缺陷：1)使用尾部通风，存在采空区通风嫌疑；2)工作面回风巷瓦斯浓度高，风排瓦斯量大；3)工作面配风量大，风速易超限；4)工作面需要施工5条巷道，工作面圈定周期长，易导致矿井采掘失调，且工作面回采率低，资源浪费严重。

为吸取5301采面瓦斯治理经验的不足，避免瓦斯超限事故发生，需彻底改变5301采面传统使用的瓦斯抽放方法，在分析采面瓦斯涌出来源的基础上，创新性地提出了大采高多源头瓦斯抽采技术，在瓦斯涌出采掘空间之前即采取有效的拦截措施，最大限度减小回风巷道内的瓦斯积存量。

2 5302采面回采前的瓦斯现状

5302采面采用“两进一回”通风方式，工作面走向长1 363 m，倾斜长296 m，煤层原始瓦斯含量24.8 m3/t，煤层平均煤厚6.0 m，倾角5°，地面标高568～710 m。煤层上部的伪顶为0.6 m的炭质泥岩，直接顶为3.5 m的粉砂岩，基本顶为6.3 m的细粒砂岩，底板以波状层里的粉砂质泥岩为主。

通过对5301采面瓦斯涌出的实测数据分析，该采面总瓦斯涌出量115 m3/min，风排瓦斯涌出量70 m3/min，其中底板下部的5号和7号煤层临近层瓦斯涌出约15 m3/min，采空区瓦斯涌出约20 m3/min，顶板裂隙带及围岩涌出瓦斯约30 m3/min，巷道煤壁及其他地点涌出瓦斯约5 m3/min。为了有效拦截本煤层、临近层和采空区及围岩裂隙涌出的大量瓦斯，对5302采面实施了多源头的瓦斯抽放方法(见图1)，主要措施包括：1)采面回风巷侧采用千米钻机施工顶板走向长钻孔、用普通钻机施工中位孔与低位孔抽采顶板裂隙带及围岩涌出的瓦斯；2)采用千米钻机在回风巷施工下临近层底板定向长钻孔拦截5#和7# 煤层的瓦斯涌出；3)在工作面采空区的后部巷道内向切眼上方底板施工穿透孔抽采初采期间顶板垮落涌出的瓦斯；4)采用采空区埋管抽放采空区积聚的瓦斯。

图1 5302回采面顶板走向长钻孔和中位钻孔布置Fig.1 Roof strike long drilling and middle drilling layout of 5302 mining face

3 大采高工作面瓦斯治理

为解决大采高工作面高机械化快速推进引起的瓦斯异常涌出问题，在5302工作面实施了多源头的瓦斯抽放技术实践，措施主要包括：

1)顶板走向长钻孔

较多研究学者[9-12]对顶板走向长钻孔的垂直和水平层位进行了研究，对回采面顶板上方覆岩内规律性出现冒落带、裂隙带和弯曲下沉带的演化规律进行了研究[13-14]，并采用钻孔抽采、数值模拟等手段[15-16]，确定了在裂隙带的“O”型圈富集了高浓度的瓦斯气体。基于此种瓦斯赋存机理，采用顶板走向长钻孔进行“O”型圈定位抽采。该矿经多年顶板高位钻孔的层位研究，结合裂隙带高度一般为采高的5～10倍经验公式，设计将钻孔布置在距离煤层顶板50～60 m的范围内。使用VLD-1000型钻机在该采面21#横川内施工了4个走向钻孔，钻孔参数见表1 。

表1 顶板走向长钻孔实际成孔数据Table 1 Actual borehole formation date of roof strike long drilling

2)中位钻孔

初采阶段顶板跨落不完全，顶板冒落带、裂隙带划分不清，传统高位钻孔此阶段不能发挥作用，然而此阶段遗煤瓦斯、邻近层卸压瓦斯等导致采空区瓦斯量快速增大。对此，设计施工中位钻孔抽采初采段采空区瓦斯，此阶段是煤层直接顶板活跃时期，采空区顶部“三带”没有形成，中位孔的层位布置在直接顶与基本顶的交界位置。寺河矿的直接顶厚度6 m左右，而正常回采后采空区上部裂隙带在煤层顶板上30～60 m，即采高的5～10倍，据此，中位孔的层位选择在5～25 m范围内考察试验，布孔参数如表2所示。在53022巷与53023巷之间的24#横川设计施工中位钻孔5个。

3)下临近层底板定向长钻孔

采用VLD-1000型钻机在采面回风巷横川向下临近层施工3个底板定向长钻孔，用于拦截开采层下部5#和7#煤的瓦斯涌出，各钻孔参数见表3。

表2 中位钻孔实际成孔数据Table 2 Actual borehole formation data of middle borehole

表3 底板定向长钻孔实际成孔数据Table 3 Actual borehole formation date of bottom direction long drilling

4 试验效果分析

4.1 顶板走向长钻孔抽采效果

图2为顶板走向长钻孔抽采参数曲线。依据各钻孔的瓦斯抽放数据变化可知，1#钻孔最高瓦斯浓度达到80%，抽采量最高达到17.5 m3/min，抽采服务时间达到75 d，而2#钻孔和4#钻孔瓦斯浓度和瓦斯抽采量均低于1#钻孔，分析认为是钻孔距53023巷的水平距离和距开采煤层顶板的垂直距离未布置在采空区裂隙带的理想层位所致。由于2#和4#钻孔垂直层位均低于1#钻孔，可能原因是钻孔均处于裂隙带“O”型圈的下部边缘，即位于冒落带的顶部范围。同时可以发现，2#钻孔的抽采浓度和抽采量均高于4#钻孔，2#钻孔保持较高瓦斯浓度是因为距离53023巷比4#钻孔的19 m更远，对回采期间巷道采动影响较小，而4#钻孔距离53023巷较近，可能存在采动卸压导致的顶板裂隙带富集的瓦斯向回风巷道空间溢散，影响了其抽采效果。而3#钻孔的抽采浓度和抽采量均较低，可以确定3#钻孔位于裂隙带“O”型圈的上部，即处于弯曲下沉带范围，因为该范围内仅有横向的离层裂隙而竖向破断裂隙未发育，该区域的瓦斯无瓦斯补给来源，从而导致4#钻孔抽采的浓度和抽采量均较低。因此，可以确定1#孔位于裂隙带的瓦斯富集区，钻孔距开采煤层顶板的合理垂直距离为40±5 m、距53023巷的水平距离为50±10 m时，抽采效果最佳。

图2 顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数变化曲线Fig.2 Variation curve of gas drainage parameters in long hole with roof strike

4.2 中位钻孔瓦斯治理效果

图3为中位钻孔抽采参数曲线。从图3中各钻孔的瓦斯浓度和抽采纯量的曲线变化可以看出，3#钻孔的瓦斯浓度和抽采量均比其他钻孔高，通过对工作面推进过程中0～221 m范围内钻孔的抽采数据统计计算分析，3#钻孔共计抽采瓦斯量277.7万m3，是抽采效果最差的5#钻孔40.6万m3的6.8倍，与4#钻孔的194.5万m3的抽采变化规律相当。结合表2钻孔的实际施工参数，在距离工作面切眼较近位置施工顶板中位钻孔时，中位钻孔距开采煤层顶板的垂直距离为20 m，距53023巷的水平距离45～50 m时抽采效果最佳。

图3 中位钻孔瓦斯抽采参数变化曲线Fig.3 Variation curve of gas drainage parameters in middle hole

4.3 下临近层穿层定向长钻孔

图4为下临近层底板定向长钻孔抽采参数曲线。从图4可以看出，1#钻孔抽采浓度和抽采量均较大，抽采效果明显高于2#和3#钻孔，其中1#钻孔的总抽采量为476.3万m3，均高于2#钻孔的160.8万m3和3#钻孔的141.3万m3抽采量。且在整个抽采周期内，1#钻孔的抽采量稳定期较长，在工作面回采的30-220 m范围，其抽采量稳定保持在4.5 m3/min水平。可以确定，底板下临近层定向长钻孔与53023巷的最佳水平间距为20 m，钻孔与开采煤层底板的垂直距离以下临近层与开采层的间距为准。

图4 下临近层底板定向长钻孔瓦斯抽采参数变化曲线Fig.4 Variation curve of gas drainage parameters in bottom directional long drilling

4.4 总体效果评价

瓦斯抽采措施效果考察对比结果见表4。从表4中可以看出，顶板走向长钻孔是工作面瓦斯治理最为有效的措施，其抽采的瓦斯量占3种措施瓦斯抽采总量的79.6%，在工作面瓦斯治理措施中优势明显，这为后续工作面瓦斯治理措施的优选提供了依据，而下临近层底板定向长钻孔抽采和中位钻孔抽采是工作面回采期间瓦斯治理的辅助性措施。从高位钻孔的高效抽采效果来看，该矿后续的瓦斯治理措施中，可以加大高位走向长钻孔的施工密度和分支孔长度，使钻孔分布在垂直层位40±5 m、水平层位50±10 m范围，同时提高分支孔的开孔率，以实现定向长钻孔可在顶板裂隙带内更大抽采影响范围，从而使中位钻孔的工程量减少甚至不必施工，达到抽采效果最佳和工程量最为经济的目的。

表4 不同瓦斯抽采措施效果对比Table 4 Comparison of effects of different gas drainage measures 万m3

图5为工作面回风巷瓦斯浓度变化曲线。从图5可以看出，在工作面风量稳定在1 500 m3/min前提下，工作面回采开始的13∶00-0∶00时间段内，由于各瓦斯抽采措施未发挥作用，上隅角和工作面瓦斯浓度一直保持在0.43%左右水平，但当工作面回采到50 m左右位置(即0∶30)后，中位钻孔抽采效果开始显现，工作面瓦斯浓度下降至0.3%左右。待工作面回采到100 m左右(即7∶30)后，顶板上方形成了采空区“三带”和“O”型圈，位于顶板裂隙带内的走向高位钻孔开始发挥作用，瓦斯浓度进一步下降。

图5 工作面回风巷瓦斯浓度变化曲线Fig.5 Change curve of gas concentration in return air roadway of working face

5 结论

1)采用多种瓦斯抽采措施对工作面顶板裂隙带、采空区进行瓦斯抽采，工作面回风巷瓦斯浓度由0.6%下降至0.36%，下降幅度达40%；工作面采空区抽放量由原来的15 m3/min左右增大至30 m3/min左右，采空区抽放量增加了10～15 m3/min，风排瓦斯量由原来的50 m3/min减少到30 m3/min。

2)对顶板走向长钻孔的抽采效果考察，确定了钻孔与开采煤层顶板的间距处于40±5 m范围时，可最大程度抽采顶板覆岩瓦斯富集区积存的瓦斯，钻孔与53023巷的水平间距为50±10 m左右时，可有效避免回采面因采动卸压而影响到裂隙带富集区瓦斯向采掘空间逸散，影响钻孔的瓦斯抽采效果。对中位钻孔的抽采效果分析后得出，该措施应作为顶板采空区抽采的辅助措施，钻孔距开采煤层顶板20 m左右，距53023巷水平间距45～50 m时，抽放效果最佳。下临近层定向长钻孔是有效拦截下部5#煤和7#煤向上部采掘空间涌出瓦斯的有效手段，确定了下临近层底板定向长钻孔与53023巷的水平间距20 m，钻孔布置在下临近层的煤层中，钻孔抽放效果最佳。

3)通过对3种不同瓦斯治理措施的综合考察，确定顶板走向长钻孔是治理回采面最有效的措施，其抽采量占总抽采量的79.6%，中位钻孔抽采和下临近层底板定向长钻孔抽采是回采面回采期间的辅助性措施。建议矿井在后续的瓦斯治理过程中，应加大顶板走向长钻孔的钻孔密度和分支孔的开孔率。