采煤工作面高位钻场抽采卸压瓦斯效果研究

2021-04-20龙声德陈文龙

山西焦煤科技 2021年2期

龙声德，罗飞，陈文龙

(贵州松河煤业发展有限责任公司，贵州六盘水 553000)

贵州松河煤业发展有限责任公司131204采煤工作面西起采三区131运输石门，东至131204切眼。上覆9#煤层部分开采，131204采煤工作面沿12#煤层布置，可采走向长度1 075 m，可采倾向长度158 m，可采面积169 850 m2，可采储量39.41万t. 采用长壁后退式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板，U型全风压通风。

1 煤层及瓦斯赋存情况

1.1 12#煤层赋存概况

131204采煤工作面煤层走向为119°，倾向为30°，煤层28°～32°，平均倾角为30°，煤厚1.26～1.97 m，平均厚度为1.6 m；煤为黑色,半亮型，块状,含根及菱铁矿结核，夹矸为灰质粉砂泥岩。煤层层理为中等发育，节理不发育。131204采煤工作面围岩主要是以粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主,岩石节理不发育，地质构造简单，12#煤层顶底板岩性情况见表1.

1.2 煤层瓦斯情况

根据《贵州松河煤业发展有限责任公司131204采煤工作面抽采达标评判及区域措施效果检验报告》,原始瓦斯含量和原始压力分别为6.472 6 m3/t、0.28 MPa,经过抽采后残余瓦斯含量和瓦斯压力分别为4.851 1 m3/t、0.14 MPa. 12#煤层破坏程度为第V类，煤层坚固性系数0.342，瓦斯放散初速度ΔP为1.197 kPa，孔隙率为4.11%.

表1 12#煤层顶底板围岩情况表

1.3 工作面瓦斯涌出量来源分析

回采前在131204回风巷已安装一趟低负压DN350采空区留管，每隔30 m安设一个三通，采空区留管未能抽采顶板裂隙带瓦斯，131204采面共安装105个支架，调试期间工作面101#架顶部最大瓦斯浓度达到0.9%，上隅角最大瓦斯浓度达到0.8%.

131204采煤工作面开采后顶板开始跨落，裂隙逐渐发育，顶板裂隙带瓦斯随顶板垮落涌入采空区，导致采空区瓦斯大量涌入开采层工作面。根据《贵州松河煤业发展有限责任公司2021年瓦斯治理工作方案》得出131204采煤工作面回采期间瓦斯涌出量为23.86 m3/min，其中开采层瓦斯涌出量2.98 m3/min,开采层涌出比为0.12；临近层和围岩瓦斯涌出量为20.88 m3/min，临近层和围岩涌出比为0.88.

2 抽采方案选择

裂隙带瓦斯是本工作面瓦斯治理的关键，该矿在实践中曾采用高位穿层钻孔、高位巷等方法抽采顶板裂隙带瓦斯，由于131204回风巷属于沿空掘巷，工作面未回采之前，巷道变形严重，高位穿层钻孔在以往实践过程中抽采浓度高且稳定，但施工过程中对巷道的宽度与围岩稳定性有较高的要求[1-2]；高位巷抽采效果好但耗费时间长，工程量较大[3-4]. 结合该矿实际采用高位钻场来抽采裂隙带卸压瓦斯。

3 高位钻场抽采卸压瓦斯方法

为了减少顶板裂隙带瓦斯涌出，缓解工作面瓦斯治理压力，通过分析研究，决定在切眼往外130 m范围内采用高位钻场抽采顶板裂隙带卸压瓦斯[5].

3.1 钻场及钻孔设计

131204采煤工作面采高2 m,高位钻场布置在距12#煤层顶板法向5倍采高且与回风巷平距10 m的顶板冒落带范围内，钻孔终孔布置在距12#煤层顶板法向10倍采高、沿回风巷往采面方向30 m的顶板裂隙带范围内。高位钻场及钻孔设计布置见图1，图2.

图1 高位钻场及钻孔设计布置平面图

图2 高位钻场及钻孔设计布置剖面图

在131204回风巷采面侧开口按+37°掘进一条长12 m×宽4.5 m×高2.8 m的斜巷，落平掘进3 m后转向，往采面方向掘进2.5 m，钻场与斜巷均为半圆拱形，钻场规格为深2 500 mm×宽3 000 mm×高3 000 mm，采用锚网支护，锚杆间排距为800 mm×800 mm.第一个高位钻场在距离切眼52 m处施工，往后每隔40 m依次施工，共计3个高位钻场。

3.2 钻孔布置及施工

1) 钻孔布置。

高位钻场施工完成后，根据现场实际情况设计钻孔，每个钻场设计8个钻孔，3个钻场共计24个钻孔，总工程量1 458 m，设计终孔间距3.55 m，设计见图1，图2.

钻孔在钻场内按两排均匀布置，每排4个孔，开孔间排距600 mm×600 mm,距两帮600 mm，第一排距离顶板1 800 mm,第二排距底板600 m；钻孔与131204回风巷巷道夹角-4°～16°，沿采煤工作面方向呈扇形施工，1#高位钻场钻孔控制切眼正上方并超出切眼10 m,相邻两个钻场钻孔有效压差为20 m.

2) 钻孔施工情况。

根据巷道和钻场的规格，利用ZDY-2300型煤矿用全液压履带式坑道钻机施工钻孔，正常给进速度0～1.2 m/min,钻杆d73 mm，配套钻杆长度为800 mm；正常施工钻孔d94 mm，扩孔钻孔d133 mm.

2020年10月20日—2020年11月15日，共施工3个钻场25个钻孔，其中补孔1个，总工程量1 550.4 m，总用时26 d，施工用时16 d，圆班平均进尺96.9 m. 钻孔施工结束后，对每个钻孔进行分析，发现所施工钻孔均达到预期要求，仅有一个未达到设计要求，严格按照设计进行补孔，钻孔进尺超额完成6.3%. 抽采钻孔施工对比见表2.

表2 抽采钻孔施工对比表

3.3 封孔工艺

每个钻孔施工结束后，采用d133 mm的钻头进行全程扩孔。为了防止回采时受采动影响导致塌孔影响抽采，扩孔结束后全程安装3.5英寸PE管、成孔24 h内完成封孔，具体工艺如下：

1) 准备工作。每根PE管在地面使用工具每隔500 mm打两个d20 mm的小孔，便于钻孔末端到封孔段的抽采，并将所需材料工具全部准备齐全。下管前，使用压风将钻孔内的残渣清理干净。

2) 封孔材料。速凝膨胀封孔剂、自带接头3.5英寸PE管、便携式注浆泵、囊袋、封孔管、风水管、注浆管、返浆管、扎带、胶带。

3) 封孔要求。封孔长度不小于10 m、封孔压力不小于4 MPa、出浆量不小于25 L/min、注浆管和返浆管外露不大于300 mm、PE管外露不大于500 mm、封孔必须在20 min内完成，封孔结束后至少凝固4 h.

4) 封孔工艺。采用“全程下管+两堵一注+带压封孔”的封孔工艺。每根PE管长度为3 m，具体下管数量由孔深决定。将带有特殊接头的PE管相连并放入钻孔内，安装过程中在封孔段末端与开孔处用扎带和胶带将囊袋固定，然后安装注浆管和返浆管，采用速凝膨胀封孔剂与水按1∶1.2配比搅拌均匀，使用封孔管将注浆泵与注浆管连接进行带压注浆。封孔示意图见图3.

图3 全程下管+两堵一注+带压封孔示意图

4 效果分析

当钻孔全部封孔结束，使用3.5英寸埋线管与每个钻孔连接至抽采管路，抽采负压不小于13 kPa. 在每个钻场开口处永久密闭，抽采每个钻场的管路都设置观察孔，并由专人每天对钻场抽采情况进行考察记录。

1#高位钻场距离切眼52 m，所施工的钻孔超出切眼10 m. 通过分析发现，当采面回采10 m时，顶板全部跨落严实，1#高位钻场的所有终孔全部暴露在顶板裂隙带中；当采面回采30 m时，2#高位钻场的所有终孔全部暴露在裂隙带中；当采面回采70 m时，3#高位钻场的所有终孔全部暴露在顶板裂隙带中。当采空区上方裂隙开始发育，钻孔终孔端与PE管小孔附近产生负压流，开始抽采顶板裂隙带的卸压瓦斯，上隅角瓦斯浓度有明显下降趋势。高位钻场支管浓度与回采距离关系、上隅角瓦斯浓度与回采距离关系见图4，图5.