大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)研究

程 波，陳殿賦，彭明輝，楊 亮

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.神華神東煤炭集團有限責(zé)任公司保德煤礦，山西 保德 036600)

我國是一個多煤少油的國家，已探明的煤炭儲量占世界煤炭儲量的33.8%。我國煤炭產(chǎn)量連續(xù)多年位居世界第一，20世紀50年代煤炭消耗占全部能源的比例曾高達90%[1-2]。近年來，在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型、環(huán)保加強等因素的影響下，煤炭消費增速雖明顯放緩，但煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中仍處于主導(dǎo)地位。隨著采煤技術(shù)和裝備的發(fā)展，以及國家強力推進淘汰煤炭落后產(chǎn)能，致使先進的大型高產(chǎn)礦井成為我國煤炭生產(chǎn)的主體，其產(chǎn)量占比達75%，其中千萬噸級特大煤礦產(chǎn)能近8億t/a。瓦斯災(zāi)害一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅，通過井下開采保護層卸壓或區(qū)域遞進式規(guī)模化抽采和超前地面預(yù)抽兩大劃時代技術(shù)的應(yīng)用，解決了瓦斯消突問題，遏制了重特大瓦斯事故的發(fā)生[3]。但隨著產(chǎn)能的提高，即使煤層抽采達標(biāo)或者是原始煤層瓦斯含量較低的礦井，在高強度的開采條件下，其工作面回采期間的采空區(qū)瓦斯涌出量仍然較大，特別是針對放頂煤開采的煤層，該問題極為突出[4]。目前，多數(shù)高產(chǎn)高效的高瓦斯礦井摒棄了傳統(tǒng)的“一進一回”巷道布置方式，采用“一面三巷”(運輸巷、一號回風(fēng)巷和二號回風(fēng)巷)或“一面四巷”(工作面輔助運輸巷、運輸巷、一號回風(fēng)巷和二號回風(fēng)巷)的布置方式[5]。但上述2種工作面巷道布置方式，其掘進工程量大，且巷道維護成本較高，與井下瓦斯抽采易形成相互制約的矛盾。同時，在采空區(qū)瓦斯治理方面，雖已形成了以高位鉆孔[6-7]、埋管[8]、插管[9-10]等抽采卸壓瓦斯的工藝為主的技術(shù)體系，但對于高強度開采條件下的采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)仍有待進一步研究完善。

鑒于此，針對高瓦斯厚煤層高強度開采條件下回風(fēng)隅角瓦斯治理的難題，以神東煤炭集團保德煤礦綜采放頂煤工作面開采為工程背景，通過對通風(fēng)方式進行優(yōu)化，使工作面形成偏“Y”型的通風(fēng)方式，并與大直徑水平鉆孔施工工藝相結(jié)合，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)。

1 試驗工作面概況

保德煤礦隸屬于國家能源集團神東煤炭集團，位于山西省保德縣境內(nèi)，地質(zhì)儲量12.00億t，可采儲量 7.11 億t，是神東礦區(qū)下屬唯一一座高瓦斯礦井。目前保德煤礦采用綜采放頂煤工藝開采，主采8#煤層，煤層平均傾角3.5°。8#煤層標(biāo)高為+550.0～+776.0 m，測得的瓦斯含量為0.480～7.856 m3/t。各煤層厚度及煤層平均間距如表1所示。

表1 保德煤礦煤層厚度及平均間距

將81505綜采放頂煤工作面作為本次的試驗工作面，該工作面位于保德煤礦五盤區(qū)，該區(qū)域內(nèi)無斷層、陷落柱等其他地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體瓦斯賦存情況基本一致，瓦斯含量為4.88 m3/t左右。與之相鄰的81504綜采放頂煤回采期間采用 “三進兩回”U型通風(fēng)系統(tǒng)，即工作面運輸巷、下鄰近工作面一號、二號回風(fēng)巷進風(fēng)，工作面一號及二號回風(fēng)巷回風(fēng)，且采空區(qū)滯后聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采(在二號回風(fēng)巷安設(shè)?820 mm干管、配合?520 mm支管滯后工作面30～150 m抽采)，如圖1所示。

圖1 81504工作面巷道布置示意圖

該種通風(fēng)方式在回采工作面布置了2條回風(fēng)巷(一號回風(fēng)巷和二號回風(fēng)巷)，增加了工作面煤巷掘進工程量，延長了工作面的準(zhǔn)備周期。同時，工作面回采期間，采空區(qū)瓦斯抽采管路安設(shè)于二號回風(fēng)巷中，隨著煤炭的開采，抽采管路勢必將埋入已采巷道中，增加礦井瓦斯治理成本。在考慮煤炭資源回收方面，回采工作面多布置了準(zhǔn)備巷道，則增加了巷道煤柱量，降低采區(qū)煤炭采出率。

2 試驗工作面通風(fēng)方式優(yōu)化

由于在本次試驗前，保德煤礦81505、81506回采工作面的巷道掘進工作已完畢，故針對保德煤礦原有綜采放頂煤回采工作面通風(fēng)方式存在的問題，對81505綜采放頂煤工作面的通風(fēng)方式進行了優(yōu)化，即：81505回采工作面一號進風(fēng)巷、運輸巷外段進風(fēng)，通過聯(lián)絡(luò)巷，由下鄰近的81506工作面一號進風(fēng)巷內(nèi)段、開切眼回風(fēng)，風(fēng)流自上向下流動，形成偏“Y”型的通風(fēng)方式，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的回采工作面通風(fēng)方式示意圖

圖2中，81506工作面一號進風(fēng)巷與81505工作面膠運巷之間存在1條巷道，該巷道實際為原設(shè)計中的81506工作面二號回風(fēng)巷。若試驗前，81506工作面尚未形成，則無需掘進該巷道。81505工作面通風(fēng)方式優(yōu)化后，該條巷道實際并無任何的實用價值，但在后續(xù)的試驗期間，該巷道可等同于下鄰近81506備采工作面的一號進風(fēng)巷，且可敷設(shè)瓦斯抽采管路對其采空區(qū)瓦斯進行抽采。

針對保德煤礦8#煤層回采工作面開采實際提出的偏“Y”型通風(fēng)方式的優(yōu)點：采空區(qū)漏風(fēng)較少，回風(fēng)隅角瓦斯治理的難度降低，對抑制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火與采空區(qū)瓦斯治理有利；將移動變電站列車、膠帶輸送機等設(shè)備布置于進風(fēng)流中，安全性高；有利于工作面降溫和對濕度的調(diào)節(jié)。

3 大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)的原理

基于對保德煤礦8#煤層放頂煤回采工作面通風(fēng)方式的優(yōu)化，結(jié)合當(dāng)前試驗成功的直徑600 mm水平鉆孔施工工藝[11]，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)，旨在對工作面回采期間的采空區(qū)瓦斯實施高效治理，其技術(shù)原理為：將偏“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)中的下鄰近備采工作面一號進風(fēng)巷與采空區(qū)聯(lián)通的煤柱，通過施工大直徑水平鉆孔橋接，每個大直徑水平鉆孔連接抽采管道，開設(shè)相應(yīng)的取樣孔，用以連接自然發(fā)火標(biāo)識性氣體濃度傳感器，實時監(jiān)測采空區(qū)遺煤自燃情況。同時，在鉆孔孔口安設(shè)蝶閥，用以調(diào)節(jié)鉆孔負壓，進而控制鉆孔抽采瓦斯量。以長度150 m煤柱為例，可每隔30 m施工1個大直徑水平鉆孔穿透煤柱至回采工作面采空區(qū)，且采空區(qū)瓦斯抽采滯后工作面30～150 m。大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯示意圖如圖3～4所示。

圖3 大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯示意圖

(a)水平布置示意圖

(b)A—A剖面圖

該技術(shù)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)下鄰近備采工作面一號進風(fēng)巷內(nèi)可敷設(shè)大直徑抽采管道，如同增加了回采工作面的通風(fēng)風(fēng)量，能起到引排采空區(qū)瓦斯，改變采空區(qū)瓦斯流場的作用；橋接管路接入采空區(qū)處的抽采負壓高，能更有效地截流防止采空區(qū)深部回風(fēng)側(cè)區(qū)域高濃度瓦斯涌入工作面；

2)施工的大直徑水平鉆孔完全可替代原有的聯(lián)絡(luò)巷插管抽采，且實現(xiàn)了采空區(qū)與備采工作面一號進風(fēng)巷之間的完全隔離，避免了采空區(qū)高濃度瓦斯直接流入備采工作面一號進風(fēng)巷，從根本上解決了回風(fēng)瓦斯?jié)舛瘸薜碾y題；

3)多個大直徑水平鉆孔橋接進入采空區(qū)，實現(xiàn)了采空區(qū)回風(fēng)側(cè)區(qū)域多個匯點、連續(xù)抽采，降低了采空區(qū)瓦斯涌出強度；每個大直徑水平鉆孔與抽采管道相連接，并可實時在線監(jiān)測采空區(qū)遺煤自然發(fā)火標(biāo)識性氣體的濃度，切實做到對礦井煤炭生產(chǎn)工作面采空區(qū)煤炭自燃的有效預(yù)控；

4)大直徑水平鉆孔與抽采管道相連接處，安設(shè)有調(diào)控蝶閥，用以控制鉆孔抽采瓦斯負壓，使得鉆孔抽采瓦斯量實現(xiàn)精準(zhǔn)、有效控制，防止因采空區(qū)抽采瓦斯量過大，而引發(fā)的空氣攝入造成遺煤自燃。并在采空區(qū)瓦斯涌出強度過高時，提升采空區(qū)瓦斯抽采量，防止綜放工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸?，切實保障煤炭的安全開采。

4 應(yīng)用效果及分析

在保德煤礦81505綜采放頂煤工作面回采前，已采用傾向鉆孔對煤體進行了大面積區(qū)域預(yù)抽，其煤層瓦斯含量已降低至3.42～4.35 m3/t，工作面設(shè)計產(chǎn)量12 800 t/d，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》的相關(guān)要求，該工作面已實現(xiàn)了瓦斯抽采達標(biāo)。

將大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯的工藝應(yīng)用于保德煤礦81505工作面，在工作面推進期間，對管路抽采瓦斯量和回風(fēng)巷、上隅角瓦斯?jié)舛冗M行了實測，以檢驗大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯的效果，指導(dǎo)后續(xù)煤礦生產(chǎn)工作面的采空區(qū)瓦斯抽采方案。統(tǒng)計了工作面累計推進進度274～1 129 m內(nèi)的采空區(qū)抽采瓦斯參數(shù)、工作面的瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù))，如圖5～6所示。

圖5 81505工作面回采期間回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角等區(qū)域瓦斯?jié)舛?/p>

圖6 81505工作面回采期間采空區(qū)抽采瓦斯量、瓦斯?jié)舛燃袄塾嬐七M進度

由圖5～6可知：大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯管路中的瓦斯?jié)舛葹?.6%～3.2%，抽采瓦斯量為7.4～20.6 m3/min；81505工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛任窗l(fā)生過超限，且控制在0.20%～0.64%內(nèi)；回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.12%～0.54%內(nèi)。應(yīng)用大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)期間，鉆孔抽采負壓控制在17～20 kPa，且未在抽采管道內(nèi)監(jiān)測到煤自然發(fā)火的標(biāo)識性氣體。

大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)在81505工作面的現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明：備采工作面一號進風(fēng)巷內(nèi)施工大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)瓦斯工藝，可有效解決上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限的難題，能夠滿足安全高效生產(chǎn)的需求。目前，該項工藝已推廣至保德煤礦的其他回采工作面。

與礦井原采用的聯(lián)絡(luò)巷插管抽采瓦斯工藝相比，應(yīng)用大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)可大幅度減少聯(lián)絡(luò)巷掘進工程量，進而可縮短工作面準(zhǔn)備周期，并延長了回采工作面煤體區(qū)域預(yù)抽瓦斯的時間，保障了礦井“抽、掘、采”有序銜接，其技術(shù)、經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

1)針對高瓦斯厚煤層高強度開采條件下“三進兩回”型通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)隅角瓦斯治理的難題，通過對礦井回采工作面通風(fēng)方式進行優(yōu)化，使工作面形成偏“Y”型的通風(fēng)方式，并與大直徑水平鉆孔施工工藝相結(jié)合，提出了大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)，即：將偏“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)中備采工作面一號進風(fēng)巷與采空區(qū)聯(lián)通的煤柱，通過施工大直徑水平鉆孔橋接，并在孔內(nèi)安裝抽采管，最終接入抽采管路進行瓦斯抽采；

2)將大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)應(yīng)用于保德煤礦81505工作面，該工作面回采期間，大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯管路中的瓦斯?jié)舛葹?.6%～3.2%，抽采量為7.4～20.6 m3/min；回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.20%～0.64%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.12%～0.54%，切實保障了煤炭資源的安全高效開采；

3)應(yīng)用大直徑水平鉆孔橋接采空區(qū)抽采瓦斯工藝可取代聯(lián)絡(luò)巷插管抽采，實現(xiàn)多個大直徑水平鉆孔橋接進入采空區(qū)進行連續(xù)抽采，降低了采空區(qū)瓦斯涌出強度，加強了對采空區(qū)瓦斯流場的控制。