东大煤矿采空区瓦斯抽放设计与应用

景 贺

（晋能控股晋城煤炭事业部宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

东大煤矿主要开采3#煤层，采用一次采全高综合采煤工艺，平均开采高度为5.3 m。通过前期对东大煤矿的地质勘察资料分析可知，当矿井生产能力每年达到500万t时，矿井相对瓦斯涌出量为29.1 m3/t，绝对瓦斯涌出量为306.4 m3/min，其中回采工作面绝对瓦斯涌出量为202.3 m3/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量为33.4 m3/min，采空区绝对瓦斯涌出量为70.7 m3/min。经鉴定，14151工作面瓦斯含量为12.5 m3/t，瓦斯压力在1.2～1.4 MPa之间，属于突出危险工作面。

东大煤矿瓦斯抽采系统由8台2BEC120型瓦斯抽采泵组成，其中6台服务本煤层和穿层钻孔预抽，3用3备，2台服务采空区和低位高抽巷瓦斯抽采，1用1备。根据3#煤层瓦斯赋存规律以及矿井开拓方式，东大煤矿瓦斯防治采用地面井抽采先行、本煤层抽采为主、穿层钻孔抽采为辅、采空区瓦斯加强抽采的综合瓦斯抽采方法。通过井上井下联合抽采，预抽与边采边抽、边掘边抽相结合，达到预防瓦斯突出，保证矿井安全生产的目的。

采空区瓦斯是煤矿回采过程中涌出瓦斯的主要组成部分，当采空区瓦斯涌出量较多时，回采工作面瓦斯浓度容易超限。采空区瓦斯治理不同于回采工作面瓦斯治理的方法，增加工作面风量，可能使采空区漏风更加严重，增加采空区对工作面的瓦斯涌出量。因此，治理采空区瓦斯需要采用合适的方法，通过高位抽放可以有效地解决工作面上隅角瓦斯超限的问题。采用合理的钻孔设计参数，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，对采空区瓦斯综合治理以及矿井工作面安全回采具有重要的作用[1-5]。

2 采空区瓦斯抽放设计

2.1 钻孔布置层位

采空区“三带”分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。采空区上覆岩层向下移动首先形成冒落带，瓦斯赋存在冒落岩层的裂隙中，通过布置高位钻孔可以将裂隙中的瓦斯抽放出来。随着工作面的推进，在采空区会形成冒落拱，在冒落拱附近裂隙较为发育，垂向裂隙所占比例较高，将工作面高位钻孔布置在裂隙带中，能够有效提高采空区瓦斯抽放量。工作面高位钻孔布置示意图如图1。

图1 高位钻孔布置示意图

2.2 钻孔参数计算

（1）钻孔有效高度计算

根据东大煤矿开采煤层厚度、开采工艺以及上覆岩层岩性等参数，采用经验法计算钻孔有效高度。冒落带高度与上覆岩层的碎胀性有关，通常情况下为煤层厚度的3～5倍，采用公式（1）计算冒落带高度：

式中：Hm为冒落带高度，m；M为煤层开采厚度，m。

东大煤矿平均煤层开采厚度为5.3 m，根据式（1）计算冒落带高度为9.9～14.3 m。

裂隙带高度根据公式（2）计算得到：

式中：Hl为裂隙带高度，m。

通过公式（2）计算得到裂隙带高度为38.3～49.5 m。

钻孔布置层位应在冒落带上方，裂隙带中下部位。综合考虑现场地质因素与施工情况，选取钻孔有效高度范围为20～43 m。

（2）钻孔布置数量

钻孔布置数量由抽放瓦斯量以及封孔管的直径等因素决定，具体计算公式如式（3）：

式中：N为钻孔数量，个；Q为瓦斯抽放总量，m3/min；D为封孔管直径，m；V为瓦斯流速，m/min；C为抽放管内瓦斯浓度，%。

高位钻孔需抽采采空区瓦斯总量为16.71 m3/min，直径为0.113 m，瓦斯浓度为8%，瓦斯流速取900 m/min。根据公式（3）计算得到钻孔数量约为5.79个，考虑到瓦斯涌出的不均匀性、成孔完整性以及考虑一定的安全范围，钻孔数量设计为8个。

（3）钻孔封孔深度

根据经验及现场实践应用，高位钻孔封孔深度取8 m。同一钻场各钻孔的封孔深度应保持一致。

（4）钻场布置间距

为了能够有效地抽采出采空区内瓦斯，钻场布置间距应保证每个钻孔终孔位置在前一个钻孔的有效长度范围内。钻场间距布置示意图如图2。公式（4）为钻孔的有效利用率。

图2 钻场间距布置示意图

式中：Hz为钻孔终孔高度，m；Hm为冒落带高度，m。

钻孔的有效长度根据公式（5）计算得到。

式中：L有效为钻孔有效长度，m；L孔为钻孔实际长度，m。

根据公式（6）确定钻场间距。

式中：L间距为钻场间距，m；α为钻孔仰角，（°）。

通过计算结合现场施工情况，钻场合理布置间距取60 m。

3 工业性试验

3.1 高位钻孔施工参数

以东大煤矿14151工作面为研究对象。工作面采用U型通风方式，即工作面一侧布置运输巷为进风巷，另一侧布置回风巷进行回风。同时在回采过程中及时密封采空区两侧原有联络巷，防止采空区漏风造成瓦斯大量涌出。

采空区瓦斯抽放钻场布置在14151工作面回风巷内，在距切眼160 m处开始布置。钻场间距60 m，每个钻场布置8个钻孔，钻孔直径为113 mm，钻孔的有效高度为20～43 m，采用PVC管配合马丽散进行封孔，封孔长度不小于8 m。14151工作面通风方式及高位钻孔布置示意图如图3。以第四钻场为监测对象，安装4组孔板流量计，监测钻场瓦斯混合流量以及瓦斯浓度。第四钻场的详细钻孔参数见表1。

表1 第四钻场高位钻孔参数表

图3 14151工作面通风方式及高位钻孔布置示意图

3.2 瓦斯抽采效果分析

对第四钻场钻孔抽采瓦斯浓度与瓦斯纯量随工作面推进距离的变化情况分析，进而验证高位钻孔布置参数的合理性。瓦斯浓度和瓦斯纯量随推进距离变化曲线如图4。

从图4中可以看出，随着14151工作面的不断推进，采空区裂隙带逐渐发育，钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量也逐渐升高，瓦斯浓度最高达到14.5%，瓦斯纯量最高达到1.4%。1号孔在46～120 m范围抽放瓦斯效果显著，2号钻孔在46～130 m范围抽放瓦斯效果显著，3号孔在90～130 m范围抽放瓦斯效果显著，4号孔在40～130 m范围抽放瓦斯效果较好，整体瓦斯抽放效果得到明显提高。

图4 抽放瓦斯与工作面推进距离关系图

4 结语

（1）采空区瓦斯是回采工作面瓦斯的主要来源，采用高位钻孔可以对采空区瓦斯进行有效抽放，采用合理的钻孔设计参数，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，保证工作面回采能够安全有序进行。

（2）对14151工作面采空区瓦斯抽放钻孔进行设计，合理设计钻孔参数可以有效提高瓦斯抽采效果。高位钻孔布置层位应在冒落带上方，裂隙带中下部位，每个钻场布置8个抽采钻孔，钻场间距取60 m。随工作面的不断推进，采空区裂隙带逐渐发育，钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯量逐渐升高。