基于治風(fēng)理念的穿壁鉆孔抽采措施探討

魏引尚，王奕博，賈玉泉，楊 偉，張普選

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省紅石巖煤礦，陜西 延安 727301)

0 引言

紅石巖煤礦位于陜西省黃陵縣店頭鎮(zhèn)南川河西岸的曹家峪村，其礦井瓦斯相對(duì)涌出量為2.72 m3/t，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量6.28 m3/min。其12409工作面按照原有經(jīng)驗(yàn)抽放瓦斯時(shí)發(fā)現(xiàn)，上隅角埋管抽采瓦斯的措施以及移動(dòng)抽采泵站抽采流量不足以解決上隅角瓦斯超限現(xiàn)象的問(wèn)題。因此，礦井已計(jì)劃并建成地面抽放泵站以解決抽采能力不足的問(wèn)題，并在實(shí)踐生產(chǎn)的過(guò)程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)了該瓦斯積聚現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)共同作用下漏風(fēng)量較大引起的。結(jié)合大量的工程實(shí)踐資料發(fā)現(xiàn)[1-6]，學(xué)者們?cè)谥卫砩嫌缃峭咚钩迒?wèn)題時(shí)，大多是以治理內(nèi)部漏風(fēng)為出發(fā)點(diǎn)，以抽采瓦斯?jié)舛葹橹卫砗诵?，?duì)于因外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)共同造成的漏風(fēng)量過(guò)大而導(dǎo)致的上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題如何治理，論述較少。通過(guò)對(duì)紅石巖煤礦漏風(fēng)來(lái)源的分析發(fā)現(xiàn)，治理12409工作面瓦斯積聚現(xiàn)象的治理核心在于漏風(fēng)。因此，將以治理漏風(fēng)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合工作面實(shí)際情況，提出并論述基于治風(fēng)理念的穿壁孔抽采措施在治理該類型煤礦的可行性。

1 12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)分析

對(duì)于大多數(shù)U型工作面，由于內(nèi)部漏風(fēng)的緣故，工作面進(jìn)風(fēng)巷測(cè)(始端)到工作面回風(fēng)巷側(cè)(末端)的沿程風(fēng)量逐漸變化而非定值，工作面進(jìn)風(fēng)巷(始端)的風(fēng)量和工作面回風(fēng)巷側(cè)(末端)的風(fēng)量并不相等，屬于正壓漏風(fēng)狀態(tài)。

Q進(jìn)=PQ回

(1)

式中：P—風(fēng)量比，正壓漏風(fēng)時(shí)P>1，負(fù)壓漏風(fēng)時(shí)P<1。

進(jìn)入工作面的風(fēng)流一部分沿著工作面向工作面回風(fēng)側(cè)流動(dòng)，另一部分漏進(jìn)采空區(qū)，并伴隨著采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，沿著扇形路徑，向工作面回風(fēng)側(cè)流動(dòng)。并且由于瓦斯的密度比空氣小，且上隅角附近由于風(fēng)流方向的變化，形成了一個(gè)流速較低的渦流區(qū)，從而造成了瓦斯在上隅角處的大量積聚。

但此種分析方式的缺陷在于并未充分考慮到外部漏風(fēng)對(duì)工作面上隅角瓦斯的影響性。對(duì)于大多數(shù)U型工作面，外部漏風(fēng)帶來(lái)的瓦斯在抽采設(shè)計(jì)中往往忽略不計(jì)入考量，但當(dāng)外部漏風(fēng)達(dá)到了一定的漏風(fēng)量以后，則需要針對(duì)內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)重新進(jìn)行實(shí)地分析，制定適宜的抽采措施。

對(duì)于采空區(qū)漏風(fēng)的來(lái)源一般分為內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)。根據(jù)郭玉森學(xué)者在采空區(qū)與周圍巷道連通關(guān)系中的闡述[7]，可將采空區(qū)漏風(fēng)簡(jiǎn)化表示為一個(gè)“兩源一匯”的模型，如圖1所示。其中A為內(nèi)部漏風(fēng)，B為外部漏風(fēng)，C為上隅角處。

圖1 “兩源一匯”模型

風(fēng)流沿著進(jìn)風(fēng)巷向回風(fēng)巷途經(jīng)工作面流動(dòng)時(shí)，一部分風(fēng)流從工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)涌入采空區(qū)，這部分風(fēng)流是造成該工作面內(nèi)部漏風(fēng)的主要來(lái)源。內(nèi)部漏風(fēng)附含的瓦斯一部分來(lái)源于開(kāi)采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分來(lái)源于采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯涌出包括未采下分層卸壓后涌出的瓦斯、丟煤解吸的瓦斯、鄰近層及圍巖涌出的瓦斯。依據(jù)陜西省煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)督管理局對(duì)紅石巖礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果可知，其礦井瓦斯相對(duì)涌出量2.72 m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量6.28 m3/min，以及多年來(lái)紅石巖煤礦生產(chǎn)報(bào)告資料顯示，上隅角瓦斯超限問(wèn)題集中出現(xiàn)在了煤礦開(kāi)采的中后期，此時(shí)工作面配風(fēng)量同比前期變化不大。由此可證，上隅角瓦斯超限問(wèn)題與內(nèi)部漏風(fēng)并沒(méi)有直接的邏輯關(guān)系。

12409工作面采空區(qū)附近存在著“老窯”，是造成該工作面外部漏風(fēng)的主要來(lái)源，且位置無(wú)法確定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)定，12409工作面上隅角近采空區(qū)側(cè)的漏風(fēng)量約為180 m3/min。經(jīng)翻閱資料表明，該礦在同一采區(qū)對(duì)12404工作面，12405工作面根據(jù)其瓦斯涌出量而選型的臨時(shí)移動(dòng)抽放泵，最大抽采量?jī)H為55 m3/min。由此可見(jiàn)，對(duì)比同一采區(qū)已采工作面，12409工作面漏風(fēng)量的突然增大，與外部漏風(fēng)存在密不可分的聯(lián)系。

2 治風(fēng)理念及措施

2.1 治風(fēng)理念

根據(jù)工程實(shí)踐需要，以及外部漏風(fēng)源位置的不確定性，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方式分析選擇治理上隅角瓦斯積聚問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)。經(jīng)與礦方溝通，在現(xiàn)有12409工作面超前支護(hù)前在巷道頂板位置以間隔5 m的距離，依次打入3組鉆孔(1組5個(gè)鉆孔)，終孔點(diǎn)落入采空區(qū)裂隙帶內(nèi)。測(cè)得抽采管道內(nèi)混合流量45 m3/min，混合瓦斯?jié)舛?%左右，工作面近采空區(qū)側(cè)的漏風(fēng)量約為140 m3/min。此時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛燃s為1.9%，仍處于超限狀態(tài)。由此可知，以傳統(tǒng)方式抽采采空區(qū)高濃度瓦斯以達(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆绞皆谠撁旱V效果甚微。

因此，針對(duì)這種情況，治理該煤礦12409工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題的核心在于治風(fēng)。可構(gòu)建一個(gè)“兩源兩匯”的模型，如圖2所示，其中A為內(nèi)部漏風(fēng)，B為外部漏風(fēng)，C為上隅角處，D為抽采鉆口處?？紤]到外部漏風(fēng)源位置的不確定因素，通過(guò)在上隅角附近處形成一個(gè)具有局部負(fù)壓特性的漏風(fēng)匯(抽采鉆口處)，從而減少向上隅角處流去的漏風(fēng)量，從而達(dá)到治理上隅角瓦斯積聚的效果。

根據(jù)以上對(duì)紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)來(lái)源的分析，并基于“兩源兩匯”的治理模型，提出以下治風(fēng)理念。

圖2 “兩源兩匯”模型

根據(jù)能量守恒定律以及礦井瓦斯運(yùn)移特性，在上隅角近采空區(qū)處構(gòu)建的漏風(fēng)匯(抽采鉆孔)的漏風(fēng)量D近似滿足式(2)。

QA+QB=QC+QD

(2)

式中：QA—內(nèi)部漏風(fēng)，m3/min；QB—外部漏風(fēng)，m3/min；QC—上隅角處漏風(fēng)量，m3/min；QD—漏風(fēng)匯風(fēng)量，m3/min。

對(duì)于U型工作面，采空區(qū)向工作面上隅角處涌出的瓦斯量與其內(nèi)外壓差的平方有關(guān)[8-10]，當(dāng)通過(guò)在上隅角附近處設(shè)置抽采鉆頭抽采瓦斯時(shí)，瓦斯抽放的強(qiáng)度會(huì)影響上隅角附近的瓦斯流向。即在治理該煤礦12409工作面時(shí)，當(dāng)抽采鉆孔處的抽采風(fēng)量QC大于外部漏風(fēng)量QB時(shí)，可以消除由外部漏風(fēng)帶來(lái)的臨近層以及采空區(qū)深部瓦斯，并由抽采鉆孔處引排；當(dāng)抽采鉆孔處的抽采風(fēng)量QC大于外部漏風(fēng)量QB與內(nèi)部漏風(fēng)量QA的總和時(shí)，可使得抽采鉆孔處相對(duì)于上隅角處形成一個(gè)局部負(fù)壓區(qū)，即原流從上隅角的外部漏風(fēng)和內(nèi)部漏風(fēng)向抽采鉆孔處流去，從而消除由漏風(fēng)造成的上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象。

2.2 治理措施

對(duì)于紅石巖煤礦12409工作面存在的采空區(qū)漏風(fēng)量較大，且現(xiàn)有抽采措施效果不足以消除隱患的現(xiàn)狀，現(xiàn)探討了一種從相鄰巷打穿壁孔的抽采方案以解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)紅石巖煤礦12409工作面的現(xiàn)場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)，12409工作面回風(fēng)巷與12410工作面回風(fēng)巷處于同位側(cè)，并在停產(chǎn)線處公用一條主回風(fēng)巷。且12410工作面掘進(jìn)開(kāi)拓工作已經(jīng)完成，通風(fēng)條件成熟。原計(jì)劃采用12410工作面作為12409工作面的“尾巷”，通過(guò)打孔將12409工作面上隅角附近的風(fēng)流引排至12410工作面回風(fēng)巷中。這種措施在終孔點(diǎn)和起孔點(diǎn)是以自然風(fēng)壓的方式引排漏風(fēng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，內(nèi)外壓差會(huì)受到生產(chǎn)因素以及通風(fēng)因素的影響并不穩(wěn)定，鉆孔內(nèi)部風(fēng)流有可能處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，甚至?xí)霈F(xiàn)風(fēng)流倒流的現(xiàn)象。另外引排至12410工作面回風(fēng)巷中的漏風(fēng)風(fēng)流也有可能導(dǎo)致12410回風(fēng)巷瓦斯超限現(xiàn)象的發(fā)生。因此，將12410工作面回風(fēng)巷作為12409工作面“尾巷”的方式引排漏風(fēng)存在著技術(shù)缺陷以及安全隱患。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察并在此基礎(chǔ)上，將原有方案改進(jìn)為在12410工作面打穿壁孔，并利用已有管路進(jìn)行改裝從而將抽采孔連入管道，通過(guò)抽采泵提供抽采負(fù)壓的方式將避免風(fēng)流倒流和瓦斯超限等其他問(wèn)題的發(fā)生，并做出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，投入使用。

通過(guò)對(duì)紅石巖煤礦漏風(fēng)量較大的問(wèn)題討論分析，此設(shè)計(jì)方案主要以抽采上隅角附近的漏風(fēng)為主，通過(guò)形成一個(gè)具有局部負(fù)壓特性的漏風(fēng)匯以達(dá)到治理效果。本設(shè)計(jì)以現(xiàn)有條件，從與12409工作面相鄰的12410工作面打穿壁孔到12409工作面上隅角附近。5 m布置1個(gè)鉆孔，每次抽采時(shí)將5個(gè)鉆孔連入管路，連接至地面泵站引排。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)孔進(jìn)入采空區(qū)深部后，下一個(gè)孔接力抽采，并將該孔進(jìn)行灌漿封孔處理。鉆孔設(shè)計(jì)圖及參數(shù)表如圖3、表1。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)表

3 治理效果分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)瓦檢員每天的檢測(cè)報(bào)告，將其整理匯總，見(jiàn)表2。

表2 抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2，可統(tǒng)計(jì)連入管路的5個(gè)鉆孔總流量約為200 m3/min，此時(shí)由于漏風(fēng)產(chǎn)生的采空區(qū)瓦斯主要由抽采管道處引排。并發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)期保持在0.3%以下，根據(jù)投采前后的上隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比，可基本驗(yàn)證“兩源兩匯”模型的工業(yè)適用性。并且通過(guò)對(duì)抽采管路里的瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)發(fā)現(xiàn)，瓦斯?jié)舛然揪S持在3%左右，因此，可判定該瓦斯是由外部漏風(fēng)引起的，從而證明了治風(fēng)理念的正確性。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)2016版的《煤礦安全規(guī)程》，對(duì)于傳統(tǒng)的U+L型通風(fēng)方式的尾巷抽采措施因存在安全隱患，已不能再使用。而對(duì)于紅石巖煤礦，12410掘進(jìn)工作面切眼已形成，且與12409工作面以并行的方式共用一條主回風(fēng)巷道，通風(fēng)條件成熟，且在管路已經(jīng)鋪設(shè)完畢的情況下，在12410回風(fēng)巷打穿壁孔到12409工作面上隅角附近，并連入抽采管路進(jìn)行抽采的措施是可行的，與新的章程并不沖突。

(2)12409工作面外部漏風(fēng)較大從而導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚的隱患困擾煤礦的正常生產(chǎn)工作已久。煤礦方在實(shí)際生產(chǎn)中采用了上隅角插管的抽采措施，但效果并不明顯。在綜合分析了紅石巖煤礦12409工作面采空區(qū)漏風(fēng)來(lái)源之后，以治風(fēng)的理念采取穿壁孔抽采方式取得了良好的抽采效果，解決了上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題，并驗(yàn)證了此類煤礦治風(fēng)理念的正確性。

(3)主要針對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行分析論述，對(duì)于內(nèi)部漏風(fēng)和外部漏風(fēng)共同作用下采空區(qū)內(nèi)部的風(fēng)流流向，以及瓦斯分布并未進(jìn)行深入分析，希望在以后的研究中不斷深入，總結(jié)。