青岗坪矿42108工作面顶板高位定向长钻孔瓦斯抽采分析

2021-11-03刘扬牛永寿张辉李小波

同煤科技 2021年5期

刘扬，牛永寿，张辉，李小波

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁沈阳 110000；2.煤矿安全技术国家重点实验室辽宁沈阳 110000；3.陕西旬邑青岗坪矿业有限公司陕西咸阳 712000）

0 引言

目前随着我国煤矿开采强度和开采条件的变化，瓦斯已经成为制约我国煤矿高产高效和绿色开采的主要影响因素[1]。煤矿地下开采深度的增加和开采强度的增大，使得煤层瓦斯涌出的强度也随之增大，特别是高瓦斯矿山[2]，造成煤矿生产过程中隐患也越来越多。对此，国内专家和学者进行了大量研究，取得了诸多突破性成果。郝晓伟在中兴矿1415工作面采用“本煤层钻孔+走向高位钻孔+邻近钻孔+高抽巷+埋管抽采”的瓦斯治理技术，抽采效果显著[3]。梁冰等对沙曲矿4＃煤层采前、采中及采后分别实施本煤层、邻近层及采空区瓦斯抽采措施，有效解决了瓦斯超限的问题[4]。白砚国采用高位岩石钻孔技术对石港公司15210工作面采空区的瓦斯进行抽采治理，实现了瓦斯的有效治理[5]。本文基于以上研究成果，根据青岗坪矿42108工作面具体现场情况，提出采用高位定向长钻孔瓦斯抽采技术，并对各项瓦斯抽采措施参数进行设计，以期为类似工程条件的工作面瓦斯治理提供一定的借鉴。

1 工程概况

陕西旬邑青岗坪矿业有限公司行政区划隶属于陕西旬邑县清塬乡石门村辖区。42108工作面地面相对位置位于副井工业广场西北山区内，西部为采区三条大巷，北部为实体煤，南部距离42106采空区20 m（隔离煤柱），东部为井田边界，现正进行开采。工作面直接顶为泥岩，厚度约1.0 m；老顶为深灰、黑灰色粉砂岩和中粒砂岩，厚度约为10.5 m，具波状层理；工作面直接底为黑色炭质泥岩，厚度约3.13 m，遇水易膨胀，易发生底鼓变形，为软弱岩石；老底为紫灰、紫红等杂色泥岩，厚度约3.35 m，易风化破碎，见水膨胀。

42108工作面相对瓦斯涌出量为4.04 m3/t；工作面绝对瓦斯涌出量为10.47 m3/min；工作面最大绝对瓦斯涌出量为15.71 m3/min，瓦斯含量超过《煤矿瓦斯抽采基本指标》中关于工作面回采时瓦斯含量规定值8 m3/min，具有突出危险[6]。

依据矿井瓦斯基础参数测定结果，4-2煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0218 d-1，煤层透气性系数为0.121 m2/(MPa2.d)。由此可见，4-2煤层属于可以预抽煤层。因此，青岗坪煤矿进行开采层瓦斯抽采是完全可行的。

图1 42108工作面位置示意图

2 工作面高位钻孔瓦斯抽采技术

2.1 高位钻场设计

高位钻场的布置位置是否合理将直接影响到钻孔成孔好坏、钻孔有效抽放时间以及钻孔的施工量，无论采用何种通风方式都是回风侧的瓦斯浓度较高，所以一般将高位钻场布置在回风巷侧[7]。根据42108工作面的现场情况，高位钻场布置在回风巷中。

在42108工作面轨道顺槽内斜向上按30°起坡施工高位岩石钻场，直至斜巷底板高于煤层顶板1 m且完全避开贴邻顶板的一层破碎泥岩后开始施工钻场平台，确保整个钻场位于全砂岩中，不得在泥岩中开设钻场。设计施工的高位钻场规格为长6 m、宽5 m、高2.5 m，第一个高位岩石钻场距工作面切眼的距离为80 m，相邻两个高位岩石钻场的间距为80 m，42108工作面设计共施工19个高位岩石钻场。为方便人员进出，在钻场斜巷施工台阶，为解决施工钻孔时的排水问题，在每个钻场斜巷口处施工一个长2 m、宽1 m、深0.8 m的临时水仓用于排水。高位岩石钻场布置示意图如图2所示。

图2 高位岩石钻场布置示意图

2.2 高位岩石钻孔参数设计

裂隙带上部的离层裂隙是瓦斯主要存储场所，而下部的穿层裂隙是瓦斯的运移通道，所以将高位钻孔布置在裂隙带的上部时可抽采高浓度的瓦斯，但拦截效果不理想，将高位钻孔布置在裂隙带中下部时，可有效拦截邻近层涌出的瓦斯，但受冒落带漏风的影响，抽放瓦斯浓度较低[7]。青岗坪矿42108工作面其上覆砂岩层较多，上覆岩层跨落后裂隙较为发育，层间垂直裂隙相对较大，布置在中下部时易将采空区空气抽到钻孔，综合考虑将42108工作面高位钻孔布置在裂隙带上部。

每个高位岩石钻场共设计施工16个高位岩石钻孔，分两排布置，每排8个钻孔，第一排钻孔开孔高度为1.2 m，第二排钻孔开孔高度为1.5 m。1#高位岩石钻场所有钻孔的覆盖范围设计为倾向方向距轨道顺槽的距离为50 m，走向方向长度为90 m，2#~19#高位岩石钻场所有钻孔的覆盖范围设计为倾向方向距轨道顺槽的距离为50 m，走向方向长度为120 m，各钻场钻孔平面布置图如图3所示。根据工作面推进过程中瓦斯涌出量的大小，对每个高位钻场内的岩石钻孔数量及施工参数再进行动态调整。

3 瓦斯抽采效果分析

为了及时掌握42108工作面高位钻孔瓦斯抽采的情况，通过现场监测设备对瓦斯参数进行了采集，检验高位钻孔的抽放效果。如图4、5所示。

图4 高位钻场抽采参数随钻场与工作面距离不同的变化曲线

由图4和图5可以看出，42108工作面1#高位钻场抽采期间内平均抽采量为1.65 m3/min，最大抽采量为3.77 m3/min；日平均抽采量为2 383 m3/d，最大日抽采量为5 433 m3/d；抽采周期内共抽采瓦斯147 658 m3。在此期间高位钻孔瓦斯抽采率平均值为50.5%，大于50%的抽采率要求，其基本消除了由本煤层、邻近煤层和采空区瓦斯所带来的工作面瓦斯隐患，同时保障了煤层瓦斯气的回收利用。