趙莊煤礦工作面分源聯(lián)合立體抽采技術(shù)應(yīng)用研究

趙學(xué)良，賈 航，羅華貴

(山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

工作面回采過程中，受煤層瓦斯快速解吸運(yùn)移和通風(fēng)布置方式等因素影響，工作面上隅角、回風(fēng)側(cè)是回采區(qū)域瓦斯治理重點(diǎn)部位。各礦井的工作面生產(chǎn)規(guī)模、巷道布置、裝備和系統(tǒng)配置各異，采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)和模式也具有自身特點(diǎn)。在地面井抽采方面，淮南進(jìn)行了抽采管徑分別為244.5mm和177.8mm的大直徑地面鉆井設(shè)計(jì)和抽采瓦斯試驗(yàn)，表明地面鉆井布置于回風(fēng)巷一側(cè)在抽采效果上優(yōu)于進(jìn)風(fēng)巷，能夠有效地控制工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛萚1]；晉城寺河井區(qū)優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，為采空區(qū)瓦斯安全抽采探索了有效途徑[2]。在井下技術(shù)應(yīng)用方面，早期采用普通鉆機(jī)施工高位鉆孔[3，4]進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，隨著定向鉆進(jìn)裝備和技術(shù)的發(fā)展[5]，使用ZDY12000LD等定向鉆機(jī)施工高位定向長鉆孔[6]，保證了鉆孔在煤層頂板裂隙帶內(nèi)有效延伸，單孔最大瓦斯抽采流量超過30m3/min，回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛认陆抵?.4%[7]。針對(duì)回采工作面初采期瓦斯涌出異常，鄰近層瓦斯涌出量大的問題，寺家莊礦采用偽傾斜后高抽巷配合走向高抽巷技術(shù)[8]，并對(duì)走向高抽巷的合理層位進(jìn)行優(yōu)化[9]，使得高抽巷平均抽采純瓦斯流量為28.9m3/min，緩解了風(fēng)排瓦斯的壓力，上隅角瓦斯?jié)舛冉档蜑?.6%左右。結(jié)合井下高位鉆孔抽采與采動(dòng)區(qū)地面直井抽采技術(shù)的特點(diǎn)，采動(dòng)區(qū)地面L型井抽采技術(shù)[8]，平均抽采瓦斯純流量2.2萬m3/d，上隅角瓦斯?jié)舛绕骄捣?6.5%。對(duì)于冒落帶積聚瓦斯特別是從采空區(qū)直接涌向回風(fēng)側(cè)的瓦斯，于保種[10]研究上隅角插管深度對(duì)瓦斯抽采的影響，表明上隅角插管深度越深，上隅角瓦斯?jié)舛仍降?；王兵建等[11]研究了上隅角埋管抽放前后采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，表明上隅角瓦斯抽放可平均減少42%的上隅角和采空區(qū)的瓦斯。王兆豐等[12]提出全生命周期的底板巖巷穿層鉆孔一孔多用瓦斯抽采技術(shù)，研究了底抽巷穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯規(guī)律。

一般情況下，各礦井將多個(gè)單一技術(shù)進(jìn)行配套，對(duì)采空區(qū)來源瓦斯進(jìn)行綜合治理。三元福達(dá)礦[13]采用高位鉆孔配合埋管抽放治理采面上隅角瓦斯，寺河礦、成莊礦根據(jù)中硬煤層巷道布置和瓦斯積聚特點(diǎn)[14-16]，靈活應(yīng)用高-中-低-底板-穿透等多種鉆孔+閉墻埋管進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，高產(chǎn)工作面回風(fēng)巷、上隅角瓦斯?jié)舛仍?.5%以下。借鑒眾多優(yōu)秀研究成果，考慮趙莊工作面產(chǎn)量高，瓦斯涌出量大的實(shí)際，本文以趙莊煤業(yè)工作面回采巷道布置為基礎(chǔ)，通過高位鉆孔技術(shù)、橫川閉墻埋管技術(shù)、底抽巷閉墻埋管技術(shù)，構(gòu)建了適合礦井自身的高產(chǎn)工作面采空區(qū)瓦斯分源聯(lián)合立體抽采模式，為相似工作面的瓦斯治理提供參考。

1 瓦斯治理現(xiàn)狀及實(shí)施工作面概況

1.1 工作面回采過程中瓦斯治理現(xiàn)狀

作為千萬級(jí)生產(chǎn)礦井，單個(gè)工作面日產(chǎn)煤量在1萬t左右，為避免工作面回采過程中上隅角、回風(fēng)巷等關(guān)鍵地點(diǎn)瓦斯超限，趙莊煤業(yè)回采工作面一般采取“高抽巷抽采為主+普通鉆機(jī)高位鉆孔+橫川閉墻埋管抽采”的采空區(qū)瓦斯抽采模式，解決了工作面回采過程中的瓦斯問題。其中，高抽巷布置在煤層頂板上部的裂隙帶巖層中，施工成本高，施工周期在一年左右，同時(shí)，巖巷施工帶來的廢棄矸石需進(jìn)行再處理，增加了運(yùn)輸系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，不利于環(huán)保工作的開展，也影響了礦井生產(chǎn)的高效銜接。礦井亟需探索優(yōu)化現(xiàn)有的瓦斯治理模式。

1.2 實(shí)施工作面概況

趙莊煤業(yè)3307工作面，主采3#煤層，走向長度740m，煤層松軟(f=0.5左右)，傾向長度282m，煤層厚度平均4.70m，煤層傾角平均6°，采用一次采全高回采工藝。工作面采用三巷布置和兩進(jìn)一回“U”型通風(fēng)方式，如圖1所示。其中33073巷為輔助進(jìn)風(fēng)巷，配風(fēng)量500m3/min、33071巷為進(jìn)風(fēng)巷，配風(fēng)量3200m3/min；33072巷為回風(fēng)巷，回風(fēng)量3700m3/min。工作面中部的下方9m左右布置底抽巷，利用底抽巷布置穿層鉆孔與工作面兩側(cè)的順層鉆孔共同對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行抽采(圖1)，經(jīng)過近兩年的抽采，工作面回采區(qū)域煤層瓦斯含量下降至6.83m3/t以下，實(shí)際可解吸瓦斯含量最大值3.72m3/t(<4m3/t)，滿足工作面日產(chǎn)萬噸對(duì)煤層可解吸瓦斯含量指標(biāo)的要求，進(jìn)入回采階段。

圖1 3307工作面巷道、穿層鉆孔、順層鉆孔布置示意圖

2 高產(chǎn)工作面分源聯(lián)抽技術(shù)方法及關(guān)鍵參數(shù)

2.1 工作面回采過程中瓦斯來源及涌出規(guī)律概況

趙莊井田內(nèi)含有2#、3#、8-1#、14#、15#等多種煤層，除3#、15#煤層穩(wěn)定可采外，其余煤層為不可采或局部可采煤層。保護(hù)層開采保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距見表1。

表1 保護(hù)層開采保護(hù)層與被保護(hù)層之間的有效垂距

參考表1，當(dāng)3#煤層回采時(shí)，上部的2#煤層以及下部的5#至15#煤層，均在采動(dòng)影響范圍內(nèi)，卸壓范圍內(nèi)的鄰近層瓦斯可涌向回采區(qū)域；另一方面，工作面前方卸壓范圍的煤壁瓦斯、采空區(qū)遺煤解吸瓦斯等均是回采區(qū)域的主要瓦斯源。從瓦斯集聚位置分析，根據(jù)頂板“三帶”劃分理論及覆巖采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈特征[17，18]，在工作面回采過程中，上部鄰近層的瓦斯主要集聚在頂板裂隙帶區(qū)域，由于瓦斯比重輕，其他瓦斯源涌出瓦斯可上浮積聚至裂隙帶區(qū)域，因此，頂板裂隙帶區(qū)域是瓦斯抽采重點(diǎn)區(qū)域；采空區(qū)垮落帶空間大，并且靠近工作面、上隅角等重點(diǎn)區(qū)域，煤壁瓦斯、遺煤瓦斯、下鄰近層上浮瓦斯均大量積聚于該區(qū)域，受空間、配風(fēng)等因素影響，該區(qū)域積聚瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低，需針對(duì)性布置抽采措施；底板裂隙帶是下鄰近層卸壓瓦斯涌向回采區(qū)域的通道，也需進(jìn)行有效攔截，減輕上部抽采技術(shù)負(fù)擔(dān)。

對(duì)趙莊煤業(yè)工作面回采過程中的瓦斯涌出數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析。不同日產(chǎn)量與回采區(qū)域絕對(duì)瓦斯涌出量、相對(duì)瓦斯涌出量的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知：

圖2 不同日產(chǎn)量與區(qū)域瓦斯涌出量關(guān)系圖

1)工作面不作業(yè)時(shí)，煤體瓦斯解吸速度慢，回采區(qū)域絕對(duì)瓦斯涌出總量在18.24m3/min左右。

2)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量、相對(duì)瓦斯涌出量分別與工作面日產(chǎn)量呈正冪函數(shù)、負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。說明當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到一定值后，瓦斯涌出量會(huì)趨于穩(wěn)定，推算工作面日產(chǎn)量達(dá)到10000t時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量為47.68m3/min。

2.2 分源聯(lián)抽技術(shù)方法及關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)工作面巷道布置、煤層地質(zhì)、工作面回采過程中的瓦斯涌出和積聚規(guī)律，采用高位鉆孔對(duì)裂隙帶積聚瓦斯進(jìn)行抽采、采用橫川閉墻埋管技術(shù)對(duì)跨落帶積聚瓦斯進(jìn)行抽采、采用底抽巷閉墻埋管技術(shù)對(duì)下鄰近層卸壓解吸瓦斯進(jìn)行抽采，抽采技術(shù)布置平面如圖3(a)，抽采技術(shù)布置剖面及原理示意如圖3(b)。如圖3(a)(b)所示，高位鉆孔和橫川閉墻埋管橫向位于工作面回風(fēng)側(cè)，高位鉆孔和橫川閉墻埋管縱向分別位于裂隙帶和跨落帶，通過抽采，阻止裂隙帶和跨落帶集聚瓦斯涌向上隅角區(qū)域。底抽巷閉墻埋管是在原有的底抽巷基礎(chǔ)上進(jìn)行布置，橫向位于工作面的中部，縱向位于工作面下部9米左右，通過抽采，攔截下鄰近層涌向回采區(qū)域的瓦斯。至此，建立工作面回采過程中采空區(qū)瓦斯分源聯(lián)合立體抽采模式。本節(jié)將對(duì)各種抽采技術(shù)的作用、關(guān)鍵參數(shù)及實(shí)施進(jìn)行介紹。

圖3 3307工作面回采期間抽采技術(shù)措施布置示意圖

2.2.1 高位鉆孔技術(shù)

高位鉆孔布置層位在頂板裂隙帶。煤層頂?shù)装鍘r層厚度分布：底板從上至下由山西組下部K7砂巖、細(xì)粒砂巖(4.2m)、砂巖(3m)、粉砂巖(2.1m)組成；頂板由直接頂泥巖～砂質(zhì)泥巖(4.8m)、K砂巖(9m)，細(xì)～中粒砂巖(18.43m)組成，老頂中粒砂巖厚(5.08m)，距煤層頂板 21.2m。結(jié)合頂?shù)装宓膸r性，根據(jù)公式(1)，確定高位鉆孔的布置層位在頂板上55.91～67.12m 范圍內(nèi)。

式中，HH為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，m。

在橫向上，確定距離回風(fēng)側(cè)20～100m為高位鉆孔的布置范圍。

在實(shí)際施工過程中，參考三維地震勘探資料，3307工作面，較大斷層和陷落柱主要分布在距切眼400至700m的范圍內(nèi)(回風(fēng)側(cè)5#橫川以外)，在此條件下，為防止高位定向長鉆孔失效，采取高位定向長鉆孔和普通高位鉆孔對(duì)頂板裂隙帶積聚瓦斯進(jìn)行針對(duì)性抽采。

在5#橫川內(nèi)布置鉆場(chǎng)，使用千米定向鉆機(jī)進(jìn)行高位定向長鉆孔施工，終孔位置在工作面切眼的上部。鉆孔按照一個(gè)主孔(孔徑?203mm)、一個(gè)分支(孔徑?98mm)設(shè)計(jì)，主孔與分支孔呈上下布置，大孔徑主孔確保濃度和流量，小孔徑分支孔確保裂隙導(dǎo)通，保證鉆孔抽采效果，共計(jì)施工3個(gè)高位定向長鉆孔主孔，鉆孔間距10～20m，層位在40～70m，如圖4所示。

圖4 高位定向長鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

3307工作面的地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域大多靠近停采線側(cè)，在此區(qū)域內(nèi)既布置本文3.1.1的高位定向長鉆孔，也布置普通高位鉆孔。具體為：在33071巷使用普通鉆機(jī)施工走向高位鉆孔，每隔30m布置一組鉆孔，每組鉆孔有兩排，共8個(gè)鉆孔，如圖5所示。第一排水平距離100m，第二排水平距離80m，兩排間距0.5m，鉆孔的終孔層位在煤層頂板上35至45m范圍內(nèi)，在33071巷共布置了24組高位鉆孔，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面頂板裂隙積聚瓦斯壓茬式接續(xù)抽采。

圖5 普通高位鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

2.2.2 橫川閉墻埋管技術(shù)

對(duì)于高產(chǎn)工作面，在“U”型通風(fēng)方式下，工作面配風(fēng)從進(jìn)風(fēng)側(cè)流入回風(fēng)側(cè)的過程中，會(huì)攜帶大量采空區(qū)瓦斯涌向上隅角區(qū)域，僅靠裂隙帶抽采措施無法有效解決因頂板瞬時(shí)垮落、風(fēng)流異常等特殊原因造成的采空區(qū)瓦斯短時(shí)大量涌出并在上隅角區(qū)域快速積聚的問題。因此，在工作面的后部橫川封閉過程中進(jìn)行閉墻埋管，并將工作面后部的1個(gè)或者2個(gè)橫川閉墻埋管接入大流量抽采系統(tǒng)，一方面通過抽采阻止采空區(qū)瓦斯涌向上隅角區(qū)域，另一方面通過大流量改變上隅角流場(chǎng)，消除上隅角區(qū)域風(fēng)流“漩渦”，避免上隅角瓦斯超限。橫川閉墻埋管的抽采純量參考礦井之前工作面風(fēng)排瓦斯量16.5m3/min的30%進(jìn)行取值5.96m3/min，抽采瓦斯?jié)舛劝凑詹坏陀?%進(jìn)行進(jìn)行確定，由此確定橫川閉墻的抽采的混量為193.7m3/min。抽采管徑：

D=0.1457×(Q/V)0.5

(2)

式中，D為抽采瓦斯管徑，m；Q為抽采管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min；V為抽采管內(nèi)瓦斯平均流速，經(jīng)濟(jì)流速V=5～12m/s。

根據(jù)公式確定抽采管徑為最小為585.4mm。

2.2.3 底抽巷閉墻埋管技術(shù)

工作面回采過程中，受采動(dòng)影響，會(huì)產(chǎn)生底板裂隙，成為下鄰近煤巖層卸壓瓦斯涌向工作面的通道。根據(jù)3307工作面中部底抽巷及穿層鉆孔布置特點(diǎn)，分析認(rèn)為工作面回采過程中產(chǎn)生底板裂隙，并與底抽巷溝通。因此，進(jìn)行底抽行閉墻埋管并接入抽采系統(tǒng)，在負(fù)壓作用下，以底板裂隙為通道，主要抽采采空區(qū)遺煤解吸瓦斯。分別在底抽巷300m位置和600m位置處施工閉墻及埋管，具體實(shí)施為：工作面開始回采后，底抽巷穿層鉆孔相應(yīng)的抽采系統(tǒng)逐段拆除，在底抽巷300m處施工密閉墻并埋管接入抽采系統(tǒng)發(fā)揮作用。待工作面推進(jìn)位置超過下部底抽巷閉墻埋管位置時(shí)，拆除底抽巷300m位置處相應(yīng)的抽采管路，在底抽巷600m位置施工閉墻并埋管接入抽采系統(tǒng)，保證底抽巷閉墻埋管抽采的連續(xù)性。

與上述技術(shù)措施相配套的抽采系統(tǒng)有三套，分別是：①在33072巷布置一趟DN355管路，連接高位定向鉆孔、普通鉆高位鉆孔，其特點(diǎn)是高負(fù)壓，主要抽采頂板裂隙帶高濃度瓦斯；②33072巷布置一趟DN610管路，連接橫川閉墻DN560埋管，其特點(diǎn)是大流量，阻止采空區(qū)瓦斯涌向上隅角；③底抽巷布置一趟DN355管路，連接抽底抽巷閉墻DN355埋管。

3 效果分析

3307工作面回采過程中，連續(xù)收集近5個(gè)月的單日煤炭產(chǎn)量、各種技術(shù)的抽采數(shù)據(jù)等，工作面累計(jì)推進(jìn)430m。工作面推進(jìn)過程中，工作面推進(jìn)距離和單日煤炭產(chǎn)量變化如圖6所示。由圖6可知，受生產(chǎn)、地質(zhì)、機(jī)電等各種因素控制，工作面單日產(chǎn)量起伏較大，除停產(chǎn)外，單日最高產(chǎn)量可達(dá)10000t，最低1000t。

圖6 工作面推進(jìn)距離、日產(chǎn)量變化曲線圖

各種抽采技術(shù)抽采瓦斯純量、單日煤炭產(chǎn)量的變化曲線如圖7所示。由圖7可知：各種技術(shù)措施的抽采瓦斯量與工作面產(chǎn)量密切相關(guān)，工作面短期內(nèi)(小于5d)停產(chǎn)，不影響抽采效果，反映了采動(dòng)影響后煤巖層瓦斯解吸并釋放的有效作用時(shí)間。

圖7 各種技術(shù)措施抽采瓦斯量變化曲線圖

工作面不同日產(chǎn)量下各種抽采技術(shù)的抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴赏咚辜兞康慕y(tǒng)計(jì)見表2，由表2可知：

1)各種技術(shù)措施的抽采瓦斯?jié)舛戎祻拇蟮叫∫来问歉呶汇@孔>底抽巷閉墻埋管>橫川閉墻埋管，其中：高位鉆孔的抽采濃度為17.92%～26.69%，橫川閉墻埋管抽采濃度為1.3%～3.6%，底抽巷閉墻埋管抽采濃度為7.73%～17.1%。分析認(rèn)為：布置在頂板裂隙帶內(nèi)的高位鉆孔孔徑小且該區(qū)域工作面漏風(fēng)量小，積聚瓦斯?jié)舛雀?；布置在工作面下部的底抽巷閉墻埋管抽采斷面面積大(底抽巷凈斷面面積15.3m2)且有穿層鉆孔和工作面底板裂隙的導(dǎo)通，積聚瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低；布置在工作面采空區(qū)冒落帶的橫川閉墻埋管處于工作面漏風(fēng)區(qū)域，積聚瓦斯?jié)舛茸畹汀?/p>

表2 工作面不同日產(chǎn)量下各種抽采技術(shù)措施的抽采瓦斯?jié)舛群图兞拷y(tǒng)計(jì)表

2)不同日產(chǎn)量的條件下，三種技術(shù)措施的抽采瓦斯量，呈現(xiàn)隨工作面產(chǎn)量增加而增加的趨勢(shì)，三者抽采純量值從大到小排序依次是橫川閉墻埋管>高位鉆孔>底抽巷閉墻埋管，但監(jiān)測(cè)后期工作面推進(jìn)至272m左右(單日產(chǎn)量均值7950t)時(shí)，底抽巷抽采瓦斯純量提升較快，由5.73m3/min上升至10.3m3/min，占抽采總量的49%左右，而橫川閉墻埋管抽采純量占抽采總量的占比由50%左右下降至25%左右，分析及現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，工作面回采至該區(qū)域范圍時(shí)，處于底抽巷閉墻埋管的正上方抽采覆蓋區(qū)域，推斷采空區(qū)內(nèi)的大量瓦斯匯集底抽巷抽采區(qū)域，底抽巷閉墻埋管的抽采作用得到最大發(fā)揮，驗(yàn)證了底抽巷閉墻埋管抽采在瓦斯治理中的重要作用。

3)在抽采混量匹配方面，以抽采濃度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，確定高位鉆孔、橫川閉墻埋管、底抽巷閉墻埋管的最佳抽采混量分別為：30.42m3/min、384.9m3/min、59.8m3/min。

工作面回采過程中，上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛茸兓鐖D8所示。由圖8可知：通過分源聯(lián)合立體抽采，工作面上隅角、回風(fēng)巷的最大瓦斯年濃度在0.7%以下，保證了工作面回采安全。

圖8 上隅角、回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛茸兓€圖

4 結(jié) 論

1)分析了工作面回采過程中瓦斯積聚和涌出規(guī)律，據(jù)此，在高位鉆孔抽采技術(shù)、橫川閉墻抽采技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加底抽巷閉墻埋管抽采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)底抽巷的二次利用，形成工作面采空區(qū)瓦斯的分源聯(lián)合立體抽采新模式。

2)分析了分源聯(lián)合立體抽采技術(shù)的抽采濃度、抽采純量變化規(guī)律，驗(yàn)證了各種抽采技術(shù)在瓦斯治理中的主要作用：高位鉆孔、橫川閉墻埋管、底抽巷閉墻埋管分別對(duì)頂板裂隙帶積聚瓦斯、垮落帶積聚瓦斯、下部煤層涌出瓦斯進(jìn)行針對(duì)性精準(zhǔn)抽采，阻止各采空區(qū)來源瓦斯涌向回采區(qū)域。以抽采濃度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，得到了各種抽采技術(shù)最佳匹配抽采混量。

3)通過運(yùn)用分源聯(lián)合立體抽采新模式，使得最高日產(chǎn)萬噸的U形通風(fēng)方式下的高產(chǎn)工作面上隅角、回風(fēng)巷等關(guān)鍵地點(diǎn)的最大瓦斯?jié)舛仍?.7%以下，保障了工作面安全回采。