高瓦斯矿井采空区高位钻孔布置及抽采效果的分析

2020-07-07高豆豆程伟华

机械管理开发 2020年5期

许超，高豆豆，郝建，程超，程伟华

（山西兰花煤层气有限公司，山西晋城 048000）

引言

煤矿井下工作面瓦斯来源较多，其中采空区瓦斯逸出是其主要来源之一，同时采空区瓦斯逸出也是矿井瓦斯治理的重点和难点。目前常规的采空区瓦斯治理手段主要依靠采空区预埋管和专用瓦斯尾巷两种。采空区预埋管抽采是在采空区预先埋设管路抽采瓦斯，由于瓦斯密度低于空气，而瓦斯抽放管路沿巷道底板铺设，因而造成现场抽采效果较差，无法有效解决采空区瓦斯问题；基于这种情况，许多矿井会掘进专门的瓦斯尾巷，造成的问题一是掘进成本较高，二是专用瓦斯尾巷内瓦斯浓度高，管理难度较大，存在较大的安全隐患。针对采空区瓦斯治理困境，在某矿5302工作面施工高位瓦斯钻孔，以从根本上解决采空区瓦斯逸出的难题[1-4]。

1 高位瓦斯钻孔抽放原理

从日常瓦斯监测数据可以看出，5302工作面涌出瓦斯中采空区瓦斯逸出占比较高，由于高瓦斯矿井较高的压风量可快速将工作面逸出瓦斯稀释，因而解决工作面上隅角瓦斯积聚的关键在于采空区瓦斯治理。根据5302工作面现场地质条件与类似高瓦斯矿井瓦斯治理经验，最终确定采用施工高位抽放钻孔来解决采空区瓦斯逸出难题，进而降低工作面上隅角瓦斯浓度。高位瓦斯抽放钻孔施工的基本原理是充分利用煤层开采后上覆岩层内部形成新的瓦斯逸出通道排出瓦斯。随着煤层开采上部岩层形成“拱形”稳定结构，其内部极易积聚大量瓦斯，通过高位钻孔对采空区瓦斯进行抽放成为最佳选择。综合来看，通过将高位钻孔布置在裂隙带下部岩层中可有效提高瓦斯抽采效率。5302工作面所采3号煤层顶底板岩性如下表1所示。

表1 3号煤层顶底板岩性表

2 采空区高位钻孔布置方式

现场施工中，传统的高位瓦斯钻孔终孔位置的选择是根据“L”形井的成功经验（“L”形的井的水平段一般布置在煤层顶板上60 m左右）进行的，一般为采高的5～10倍左右，即把高位钻孔的层位布置在煤层顶板上40 m左右。为了对采空区高位瓦斯钻孔层位进行优化选择，现场在煤层顶板上方30～60 m岩层范围内施工不同层位的高位钻孔，以确定最佳层位[5-8]。高位钻孔施工采用VLD-1000钻机，其优点是成孔速度快，效率高。根据现场安排，在53022巷和53023巷之间的21号横川共设计钻孔3个，老顶初次来压，高位钻孔发挥作用。5302工作面高位钻孔布置图如下页图1所示。

3 高位钻孔瓦斯抽采效果

工作面推进后，采用专用设备对高位瓦斯钻孔内的抽采负压、瓦斯浓度、瓦斯纯量等参数进行监测，累计监测时长45 d，工作面推进335 m。监测结果如下页图2、图3、图4所示。

由现场观测数据可知：钻孔内负压的变化规律可反映出钻孔所在层位岩层内部的裂隙发育速度，随着岩层内裂隙的不断扩展，裂隙发育达到最大程度后，瓦斯抽采的各项参数基本达到稳定状态；当工作面推到32～42 m时（中位钻孔高峰过后1 d左右），1号高位孔纯量为9 m3/min、浓度为75%以上，2号高位孔纯量约15 m3/min，浓度为80%以上，3号高位孔纯量为0.5 m3/min，浓度为20%左右；高位钻孔稳定的抽采距离与其在目标层位的长度正好对应。从以上对高位钻孔的三个设计参数的分析可知，3号高位钻孔抽采效果不佳，1号、2号钻孔抽采效果好，说明高位钻孔的布置层位在顶板上40 m较为恰当。监测期间，3个高位钻孔共抽采116万m3。