高瓦斯矿井采空区瓦斯治理技术研究

胡志华

（山西兰花科技创业股份有限公司 伯方煤矿分公司，山西 晋城 048400）

高瓦斯矿井在工作面采掘活动中会因局部瓦斯积聚，造成瓦斯浓度升高。为解决工作面采空区高浓度瓦斯问题，以伯方煤矿3303 综放工作面为研究对象，采取施工高位钻孔抽排瓦斯的措施，对钻孔参数和抽采应用效果进行技术研究分析。

1 概 况

伯方煤矿属高瓦斯矿井，经过3 次扩能技改，矿井由原年产60 万t，增加到目前核定产能180 万t/a，3303 综放工作面位于伯方煤矿三盘区北部，工作面北翼3302 工作面已采闭，南翼为3304 工作面，西翼紧邻矿井边界，东翼与三盘区主要开拓大巷相邻。3303 工作面设计两巷分别为胶带顺槽和回风顺槽，其中胶带顺槽长度为1 883 m，回风顺槽长度为1 813 m，巷道设计断面为矩形，断面积18.9 m2，切眼设计长度为230 m。工作面主采3 号煤层，井下标高+560—+690 m，对应地表标高+940—+1 085 m，煤层硬度为1.5 ～2.0，层理发育中等。煤层赋存倾角2°～6°，呈近水平分布，煤层厚度为3.7 ～4.9 m，平均厚度4.2 m。3 号煤层顶板主要有灰黑色粉砂岩组成的直接顶和中粒砂岩老顶，直接底为细粒砂岩，老底为砂岩、砂质泥岩等组成。经过对3 号煤层取样进行瓦斯鉴定，测得原始煤体相对瓦斯涌出量为6.13 m3/t，绝对瓦斯涌出量为7.71 m3/min，透气性系数为0.28 ～0.33 m/（MPa·d）。

2 工作面高位钻孔布置选择

高位钻孔设计施工是在工作面现有通风系统的基础上，采取人为措施增加风流通道，在开采煤层浅埋深条件下，在巷道一侧施工巷帮钻场，在钻场内施工大孔径高位钻孔经采空区顶板冒落裂隙导通至地面，利用瓦斯密度较小，可悬浮于空气上层的原理，以及井下采空区与地表空气产生的压差关系，促使采空区积聚的高浓度瓦斯经过钻孔通道源源不断地排出至地面[1-2]。因此，在工作面展开采掘活动时，可有效降低巷道内风排瓦斯量，减少相邻采空区瓦斯通过煤壁向巷道内涌出导致的瓦斯浓度升高，缓解通风系统排放瓦斯的压力，具有显著瓦斯治理效果。通常情况下，高位钻场的布置一般选择在胶带巷或回风巷内，但是根据巷道与相邻工作面的位置关系，以及巷道内的设备布置等因素，会对现场施工造成一定影响。

2.1 胶带巷高位钻场布置方式

在3303 工作面胶带巷设计巷帮钻场规格为长4 m×宽4 m×高3 m，钻场布置在形成工作面后回采煤壁一侧，在钻场内施工高位长钻孔与地面导通相连，为确保瓦斯排放的通路畅通，应将钻孔路径布置在煤层顶板裂隙发育地带内。根据巷道现有条件，为增大钻孔控制面积，钻孔应呈扇形布置，与巷道掘进方向呈现一定夹角，以施工4 个钻孔为宜。随着工作面向外回采推进，布置在胶带巷的高位钻孔会出现塌孔、漏气等现象，严重影响采空区瓦斯抽采排放，当长钻孔遭受破坏，导致功能受阻后，也将缩短钻孔使用时间。为了延长钻孔发挥作用时间，适当增大原有钻孔倾角，但由此导致钻孔将较长时间处在顶板冒落带区域，增大塌孔堵塞的风险，且胶带巷内布置的皮带、道轨等辅助运输设施也制约钻机施工的活动空间，不利于钻孔调向作业。因此，胶带巷不适于高位钻孔的施工布置。

2.2 回风巷高位钻场布置方式

在工作面回风巷布置的高位钻场规格同样选用长4 m×宽4 m×高3 m，由于回风巷作业空间比胶带巷大，在回风巷高位钻场内可布置5 ～8 个高位长钻孔，施工时可适当减小孔间距和夹角，钻孔连接采空区与地面。将钻场布置在回采煤壁一侧，因作业空间大，对钻孔参数调整施工具有较大选择余地，同时可便于铺设抽采管路采取临时瓦斯治理管控措施。因此，回风巷相较于胶带巷更适宜布置高位钻场。

2.3 高位钻孔防塌孔套管

为避免钻孔施工后期出现塌孔，影响瓦斯抽采排放效果，伯方煤矿采用PVC 材质管件与抗压钢管配合使用，在破碎裂隙带使用钢管预埋件，可有效抵抗高应力集中区域和破碎区域对钻孔的挤压作用，降低塌孔风险，确保瓦斯抽采通路的完整性。经过下设防塌孔套管，未再出现钻孔挤压变形现象，延长了服务周期，具有显著防护效果。

3 高位钻孔设计参数确定方法

3.1 钻孔仰角设计

为确保瓦斯抽采效果达到预期要求，应将钻孔布置在穿过裂隙发育带区域，以便瓦斯抽采留设足够流动通道，同时采取措施降低钻孔废孔率和塌孔率，提升钻孔施工质量[3]。而煤层顶板经过采动影响后，在采空区上方形成“上三带”，即垮落带（冒落带）、裂隙带和弯曲下沉带，如何合理布置高位钻孔，与上三带的位置关系具有紧密联系，同时也与离层区宽度d、卸压角α 等有关[4]。上三带之间位置关系和相互影响如图1 所示。

在图1 中，ABCD 四点组成的网格部分为顶板裂隙带区域，由B’至裂隙带区域的垂直距离可通过公式计算：

式中：l'为留设保护煤柱高度，45 m；h2为裂隙带高度，47 m；α 为卸压角，80°；m为平均煤厚，4.2 m。经过带入计算可得OB'垂直距离为52.54 m。

以O 为钻孔施工原点，γ 代表高位孔施工最大仰角，β 代表高位孔施工最小仰角，根据式（2）、式（3） 和式（4） 可计算出最大、最小仰角值。

式中：h1为冒落带高度，取17 m；d为离层区域宽度，取0.8 m；l为工作面初次来压步距，取值30 m。计算可得高位孔最大仰角γ=39°，最小仰角β=21°。为将高位孔在空间层位更好分布，在回风巷暂设定施工5 个钻孔，最大仰角39°，自上而下依次减小仰角设计。

3.2 方位角设计

为确保高位钻孔以不同仰角施工时，在同一扇形平面内均能打设到顶板裂隙区域，需要通过限定钻孔施工范围来确定钻孔之间的夹角和方位角[5]，因此，根据式（5） 进行计算：

式中：OD'为D点与水平方向的投影距离，经计算可得距离为50.5 m；OA'为A 点与水平方向的投影距离，经计算可得距离为76.2 m；L为高位孔设计孔深，取90 m；ω 为设计钻孔方位角，（°）。

将回风巷高位钻场内1 ～5 号高位孔按照仰角37°、36°、33°、30°和27°进行设计后，代入式（5） 中得到钻孔夹角，换算为施工方位角分别为180°、193°、205°、214°和222°，高位孔设计参数见表1。由于钻机选用型号为ADR-250型，末端钻杆直径为318 mm，在施工期间受到大孔径和自重影响，可能出现钻孔偏斜，因此，可对设计参数适当调整。回风巷高位孔施工剖面如图2所示。

表1 高位孔设计参数Table 1 Design parameters of high-level hole

图2 回风巷高位孔施工剖面Fig.2 Construction profile of high-level hole in return airway

4 高位钻孔瓦斯抽采效果分析

为更好检验高位钻孔施工后的采空区瓦斯抽采效果，每天安排通风队瓦检员对高位钻孔抽采的瓦斯浓度和纯量等参数进行实测，并真实记录观测数据，将抽采浓度与纯量数据与工作面回采推进度之间的关系绘制如图3～图4 所示。

图3 高位钻孔瓦斯浓度Fig.3 Gas concentration in high-level borehole

图4 高位钻孔抽采纯量Fig.4 Pure amount of high-level borehole extraction

由图3、图4 可知，在工作面向外推进过程中，距离切眼不同位置处的高位钻孔的瓦斯浓度会出现不规则波动，高位钻孔抽采瓦斯浓度最大值可达到79.3%，观测周期内所有数据平均值可达到45.6%；高位钻孔抽采瓦斯由峰值浓度79.3%衰减到最低26.8%，随着工作面推进整体呈现浓度下降趋势，说明采面变化对钻孔破坏导致的漏气影响较严重，直接影响瓦斯抽采效果。而图4 反映高位钻孔对于瓦斯抽采纯量的影响关系和变化规律。距离切眼29 m 时抽采纯量升高至最大值18.6 m3/min，随采面推进，采空区距切眼0～70 m 出现小范围波动，抽采纯量整体保持在10.4 ～15.9 m3/min 的高位区间，相对稳定周期较长，抽采效果较好。

5 结 论

（1） 通过高位钻孔施工地点的选择分析，最终确定工作面回风巷可提供更便利的作业空间，有利于施工钻孔时调整参数，具有场地优势。对工作面采空区“上三带”、离层区和卸压角等进行分析，计算得出高位钻孔仰角施工参数范围为21°～39°，并由此得到钻孔方位角和孔深等设计参数。

（2） 经过回风巷高位钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯量等实测数据的对比分析：高位钻孔抽采瓦斯浓度最大值可达到79.3%，高位钻孔抽采纯量具有更长的稳定周期，说明钻孔完整性得到有效保护，且抽采纯量保持在10.4~15.9 m3/min 的高位区间，相对稳定周期较长，抽采效果较好。