回采工作面高位抽采钻孔布置与应用

2020-08-11

江西煤炭科技 2020年3期

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西霍州 031412）

1 工程概况

山西霍州煤电集团公司辛置矿2-559工作面位于450水平南五采区，工作面北为2-534工作面采空区，东部为2-560掘进工作面，南部为310回风巷、310皮带巷及310轨道巷，西部为上跑蹄风井与工业广场保安煤柱。工作面开采2#煤层，煤层厚度为3.35～4.10m，平均厚度为3.75m，顶板岩层为泥岩和K8中细砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩。工作面采用一次采全高采煤法，通风方式为U型通风，工作面煤层瓦斯原始含量为7.3m3/t。

2-559工作面原始瓦斯含量已满足《煤矿瓦斯抽采基本指标》中工作面回采前煤层瓦斯含量必须降至8m3/t以下的要求[1]，但2#煤是煤与瓦斯突出煤层，煤层透气性系数为0.35 m2/MPa2·d，百米钻孔瓦斯衰减系数为0.0031d-1，属于可抽采煤层。为了防止工作面回采期间瓦斯超限事故的发生，工作面采用本煤层预抽+高位钻孔裂隙抽采+上隅角埋管抽采的抽采措施。为确保高位钻孔的抽采效果，针对高位抽采钻孔的布置参数进行研究与设计。

2 高位钻孔参数设计

2.1 钻孔参数确定

随着工作面回采作业的进行，上覆岩层裂隙带会逐渐发育，为瓦斯的运移提供流动通道，为保障高位钻孔的抽采效果，进行钻场巷道、钻孔钻场步距、钻孔孔径、钻孔落空位置及高位钻孔布孔间距等参数的设计分析。

（1）钻场巷道选择

随着2-559工作面回采作业的进行，上覆岩层在采动影响下会逐渐产生裂隙，覆岩内部的渗透性会逐渐增强，处于裂隙带的瓦斯一部分在通风风压的作用下，会由工作面采空区运移至上隅角及回风巷，具体采空区风流方向见图1；另外一部分瓦斯处于紊流状态，瓦斯在自然状态下会逐渐向上漂浮，主要分布在裂隙带及上隅角的区域，。基于上述瓦斯分布情况，将钻场布置在回风巷内，能够减小钻场与瓦斯流之间的距离关系，从而有效的提升高位钻场的瓦斯抽采量。

图1 采空区风流分布

（2）高位钻场步距确定

高位钻孔钻场的间距会受到覆岩赋存特征、周期来压步距、巷道工程特点等众多因素的影响。进行钻孔步距的确定时，应保障两个钻场之间的瓦斯抽采浓度能够有效的衔接，确保瓦斯的抽采量。根据同采区已采工作面的矿压资料可知，工作面的周期来压步距为14～22m，平均来压步距为17.3m，据此初步确定出钻场的步距为18m，根据同采区已采工作面的高位钻场的瓦斯抽采浓度，对初步确定的钻场步距进行验证，现选取已回采完毕的2-534工作面7#钻场及8#钻场瓦斯抽采期间的抽采混合量及抽采纯量进行具体分析，见图2。

图2 瓦斯抽采混合量及抽采纯量曲线

分析图2可知，高位钻场的瓦斯抽采混合量在钻场距工作面18m时，抽采混合量开始逐渐下降，瓦斯抽采纯量在距离工作面21m时，开始出现逐渐下降的趋势。因此，为确保钻场抽采间的连续性，确定2-559工作面钻场间步距为21 m。

（3）高位钻孔孔径选择

高位钻孔瓦斯抽采中，钻孔孔径的直接关系到瓦斯抽采量，当钻孔孔径较小时，会导致抽采的瓦斯量少，当孔径过大时，会导致出现抽采混合量大、纯量小的现象，本次2-559工作面确定高位钻孔孔径时，通过试验对比分析的方式进行，结合相关研究及工程实践[2-3]，在工作面打设孔径分别为94 mm和153 mm的钻孔，进行抽采混合量及抽采纯量的对比分析，试验结果见图3。

图3 不同钻孔孔径下抽采混合量及纯量曲线

分析图3可知，高位钻孔孔径为94 mm抽采混合量小于钻孔孔径153 mm，钻孔孔径为153 mm瓦斯抽采纯量比钻孔钻径94 mm 高，而且在94 mm孔径下瓦斯抽采的混合量，随着距工作面距离的增大呈现出现明显减小的趋势。因此，确定高位钻孔的孔径为153 mm。

（4）高位钻孔落孔位置选择

高位钻孔抽采主要针对裂隙带区域[4]。根据矿井地质资料，结合邻近工作面的生产经验预测2-559工作面回采期间冒落带的发育高度约为15～17m，裂隙带的发育高度68～78m，覆岩中裂隙较为发育的区域主要为顶板上方20～45 m高度的区域，考虑到抽采效果，同时为保障高位抽采钻孔不受到破坏的因素，确定将高位钻孔布置在裂隙带的中下部，即高位钻孔的落空位置在距离顶板25～30m的范围内。

（5）高位钻孔布孔间距

根据2-559工作面顶板岩层覆存以泥岩和细砂岩交替分布为主，在钻孔直径为153 mm时，瓦斯抽采的有效半径为1m，基于此确定布置高位钻孔的孔间距为2 m。具体不同钻孔布孔间距时瓦斯抽采流场见图4。

图4 高位钻孔不同钻孔间距时瓦斯抽采采流场

2.2 高位钻孔布置方案

基于上述各项高位钻场钻孔各项参数的分析，确定高位钻孔布置于回风巷内，首个钻场布置在距离工作面90m的位置处，钻场间的步距为21m，钻孔的终孔高度在顶板25～30m的范围内，钻孔的间距为2m，具体回风巷内钻场及钻孔布置见图5。

图5 钻场走向及剖面布置

每个钻场内布置9个高位钻孔，不同钻场间钻孔的施工参数相同，具体各个钻孔的布置施工参数见表1。钻孔封孔采用PVC管+聚胺脂材料，封孔长度为10 m。

表1 高位钻孔施工参数

3 抽采效果分析

为验证分析2-559工作面高位钻孔的瓦斯抽采效果，在钻孔抽采期间进行抽采监测作业，现以2010年10月1日～2010年11月11期间高位钻孔的瓦斯抽采量曲线图进行具体分析，曲线见图6。

图6 高位钻孔瓦斯抽采量曲线

分析图6可知，10月1日～11月11日高位钻孔抽采期间，钻孔抽采瓦斯混合量最低为52.83m3/min，最高为89.93m3/min，平均抽采瓦斯混合量为74.5m3/min；高位钻孔抽采纯量最低为9.5m3/min，最高为13.84m3/min，平均抽采纯量为11.34m3/min，瓦斯的抽采浓度平均为12.3%，最高抽采浓度达到20%。基于上述数据可知，结合工作面概况知瓦斯绝对涌出量为34m3/min，2-559工作面高位钻孔的平均瓦斯抽采量占到工作面瓦斯涌出量的33.4%，抽采瓦斯浓度的均值也较高，说明工作面高位钻孔布置参数合理，能够满足工作面的安全生产需求。