高瓦斯礦井采空區(qū)高位鉆孔布置及抽采效果的分析

許 超， 高豆豆， 郝 建， 程 超， 程偉華

（山西蘭花煤層氣有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦井下工作面瓦斯來源較多，其中采空區(qū)瓦斯逸出是其主要來源之一，同時采空區(qū)瓦斯逸出也是礦井瓦斯治理的重點和難點。目前常規(guī)的采空區(qū)瓦斯治理手段主要依靠采空區(qū)預(yù)埋管和專用瓦斯尾巷兩種。采空區(qū)預(yù)埋管抽采是在采空區(qū)預(yù)先埋設(shè)管路抽采瓦斯，由于瓦斯密度低于空氣，而瓦斯抽放管路沿巷道底板鋪設(shè)，因而造成現(xiàn)場抽采效果較差，無法有效解決采空區(qū)瓦斯問題；基于這種情況，許多礦井會掘進專門的瓦斯尾巷，造成的問題一是掘進成本較高，二是專用瓦斯尾巷內(nèi)瓦斯?jié)舛雀撸芾黼y度較大，存在較大的安全隱患。針對采空區(qū)瓦斯治理困境，在某礦5302工作面施工高位瓦斯鉆孔，以從根本上解決采空區(qū)瓦斯逸出的難題[1-4]。

1 高位瓦斯鉆孔抽放原理

從日常瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，5302工作面涌出瓦斯中采空區(qū)瓦斯逸出占比較高，由于高瓦斯礦井較高的壓風(fēng)量可快速將工作面逸出瓦斯稀釋，因而解決工作面上隅角瓦斯積聚的關(guān)鍵在于采空區(qū)瓦斯治理。根據(jù)5302工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件與類似高瓦斯礦井瓦斯治理經(jīng)驗，最終確定采用施工高位抽放鉆孔來解決采空區(qū)瓦斯逸出難題，進而降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?。高位瓦斯抽放鉆孔施工的基本原理是充分利用煤層開采后上覆巖層內(nèi)部形成新的瓦斯逸出通道排出瓦斯。隨著煤層開采上部巖層形成“拱形”穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部極易積聚大量瓦斯，通過高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽放成為最佳選擇。綜合來看，通過將高位鉆孔布置在裂隙帶下部巖層中可有效提高瓦斯抽采效率。5302工作面所采3號煤層頂?shù)装鍘r性如下表1所示。

表1 3號煤層頂?shù)装鍘r性表

2 采空區(qū)高位鉆孔布置方式

現(xiàn)場施工中，傳統(tǒng)的高位瓦斯鉆孔終孔位置的選擇是根據(jù)“L”形井的成功經(jīng)驗（“L”形的井的水平段一般布置在煤層頂板上60 m左右）進行的，一般為采高的5～10倍左右，即把高位鉆孔的層位布置在煤層頂板上40 m左右。為了對采空區(qū)高位瓦斯鉆孔層位進行優(yōu)化選擇，現(xiàn)場在煤層頂板上方30～60 m巖層范圍內(nèi)施工不同層位的高位鉆孔，以確定最佳層位[5-8]。高位鉆孔施工采用VLD-1000鉆機，其優(yōu)點是成孔速度快，效率高。根據(jù)現(xiàn)場安排，在53022巷和53023巷之間的21號橫川共設(shè)計鉆孔3個，老頂初次來壓，高位鉆孔發(fā)揮作用。5302工作面高位鉆孔布置圖如下頁圖1所示。

3 高位鉆孔瓦斯抽采效果

工作面推進后，采用專用設(shè)備對高位瓦斯鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓、瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量等參?shù)進行監(jiān)測，累計監(jiān)測時長45 d，工作面推進335 m。監(jiān)測結(jié)果如下頁圖2、圖3、圖4所示。

由現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)可知：鉆孔內(nèi)負(fù)壓的變化規(guī)律可反映出鉆孔所在層位巖層內(nèi)部的裂隙發(fā)育速度，隨著巖層內(nèi)裂隙的不斷擴展，裂隙發(fā)育達到最大程度后，瓦斯抽采的各項參數(shù)基本達到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)工作面推到32～42 m時（中位鉆孔高峰過后1 d左右），1號高位孔純量為9 m3/min、濃度為75%以上，2號高位孔純量約15 m3/min，濃度為80%以上，3號高位孔純量為0.5 m3/min，濃度為20%左右；高位鉆孔穩(wěn)定的抽采距離與其在目標(biāo)層位的長度正好對應(yīng)。從以上對高位鉆孔的三個設(shè)計參數(shù)的分析可知，3號高位鉆孔抽采效果不佳，1號、2號鉆孔抽采效果好，說明高位鉆孔的布置層位在頂板上40 m較為恰當(dāng)。監(jiān)測期間，3個高位鉆孔共抽采116萬m3。

圖1 5302工作面高位鉆孔布置圖

圖2 高位鉆孔抽采負(fù)壓與工作面推進距離的關(guān)系圖

圖3 高位鉆孔瓦斯?jié)舛扰c工作面推進距離關(guān)系圖

圖4 高位鉆孔瓦斯純量與工作面推進距離關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）高位瓦斯抽放鉆孔施工的基本原理是充分利用煤層開采后上覆巖層內(nèi)部形成新的瓦斯逸出通道排出瓦斯，通過高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進行抽放成為最佳選擇。

2）采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育完全以后，各種抽采參數(shù)達到穩(wěn)定狀態(tài)。高位鉆孔穩(wěn)定的抽采距離與其在目標(biāo)層位的長度正好對應(yīng)，高位鉆孔的布置層位在頂板上40 m較為恰當(dāng)。