鄰近層瓦斯高低位鉆孔和迎向鉆孔抽采效果分析

李炎濤

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽泉有限公司，山西 陽泉 045000)

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井下開采深度不斷增加，規(guī)模也越來越大，瓦斯災(zāi)害事故也逐漸增多。陽泉礦區(qū)位于山西省沁水煤田的東北部，是全國瓦斯最大也是最難進(jìn)行瓦斯抽采的礦井之一，走向北北東，向西南方向傾斜[1-2]，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為一級(jí)褶曲和斷裂構(gòu)造，局部喀斯特熔巖現(xiàn)象較發(fā)育。近幾年來，陽泉礦區(qū)曾多次發(fā)生瓦斯事故，瓦斯已經(jīng)成為制約礦區(qū)生產(chǎn)的主要不安全因素，而瓦斯抽放是防治瓦斯事故的根本措施[3]。

采用高低位鉆孔和迎向鉆孔是煤層臨近層瓦斯抽采的主要方式，然而，對(duì)于陽泉礦區(qū)，這三種方式各自的適用性目前未見報(bào)道。因此，本文主要針對(duì)上社煤礦9號(hào)煤層鄰近層瓦斯，采用高低位鉆孔和迎向鉆孔進(jìn)行鄰近層瓦斯抽采效果進(jìn)行分析。分析結(jié)果對(duì)于陽泉礦區(qū)瓦斯抽放系統(tǒng)布置具有重要意義。

1 礦井概況

上社煤礦井田位于陽泉市盂縣南婁鎮(zhèn)北上社村南，距縣城西南12 km，地處沁水煤田北部，行政區(qū)劃大部屬南婁鎮(zhèn)管轄。礦井井田面積12.464 km2，批準(zhǔn)開采5～15號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模2.10 Mt/a，開采深度為標(biāo)高+1 079.97～+679.97 m。9號(hào)煤層工作面設(shè)計(jì)長度160 m，采高3.0 m，采用綜合機(jī)械化走向長壁后退式采煤工藝，工作面一次性采全高，全部垮落法管理頂板。9號(hào)煤層的主要鄰近層有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、15號(hào)煤層，其中12號(hào)、15號(hào)煤層為下鄰近層，其余為上鄰近層。煤層特征如表1所示。

2 鄰近層抽采方法選擇

上社煤礦9號(hào)煤層工作面回采后垮落帶最大發(fā)育高度約為10 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為40～46.9 m，位于垮落帶和裂隙帶內(nèi)的煤層有3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)煤層，3號(hào)煤層則位于裂隙帶與彎曲下沉帶的過渡區(qū)內(nèi)。12號(hào)煤層底板受采動(dòng)影響不大，只有少量的裂隙出現(xiàn)。9號(hào)煤層工作面回采過程中，對(duì)工作面瓦斯涌出影響較大的是5號(hào)、6號(hào)、和8號(hào)煤層等上鄰近層，其下鄰近層如12號(hào)煤層的卸壓瓦斯對(duì)工作面瓦斯涌出影響不大。上鄰近層卸壓瓦斯抽采巷方法主要有井下鉆孔抽采、井下巷道抽采和地面鉆井抽采三種。根據(jù)上社煤礦的實(shí)際情況以及陽泉礦區(qū)臨近礦井瓦斯抽采情況，采用井下鉆孔抽采方法，即采用高低位鉆孔結(jié)合回風(fēng)迎向鉆孔方式對(duì)鄰近層進(jìn)行抽采。

3 鄰近層瓦斯綜合抽采鉆孔布置

3.1 瓦斯抽采巷鉆孔布置工藝

9號(hào)煤9308工作面為礦井西區(qū)第一個(gè)靠近邊界的綜采工作面，回風(fēng)與進(jìn)風(fēng)雙巷掘進(jìn)，9308工作面回風(fēng)巷道和9308瓦斯抽采巷間煤柱為25 m，且之間每100 m有一橫貫。工作面長度159 m，可采長度1 626 m，采高平均為3 m。綜采工作面回采期間采用“U+U”型通風(fēng)方式，運(yùn)輸巷道作為進(jìn)風(fēng)巷，回風(fēng)巷道為回風(fēng)巷道(回風(fēng)巷)，另布置有瓦斯抽采巷，專門抽采瓦斯，三巷均沿煤層底板布置，為半煤巖巷道。9308采用U型通風(fēng)方式，工作面配風(fēng)量為2 100 m3/min。9308工作面鉆孔為上鄰近層鉆孔，其中高、低位鉆孔開口設(shè)在瓦斯抽采巷，回風(fēng)巷道迎向鉆孔布置在回風(fēng)巷道鉆場。9308工作面回風(fēng)巷道和瓦斯抽采巷抽采鉆孔布置示意，如圖1所示。

表1 煤層特征一覽

3.2 瓦斯抽采巷高、低位瓦斯抽采巷鉆孔布置參數(shù)

在9308工作面瓦斯抽采巷布置高位鉆孔時(shí)，層位打到5號(hào)煤上部0.7～11.7 m，從切巷處開始往西12 m處開始打1號(hào)鉆孔，依次向西布置鉆孔，高位鉆孔的間距定為15 m，鉆孔直徑200 mm，開孔位置距頂板0.2～0.3 m，施工高位鉆孔68個(gè)，計(jì)劃工程量4 148 m。每個(gè)鉆孔均穿過5號(hào)煤層，達(dá)到灰色細(xì)砂巖。低位孔終孔層位打到8號(hào)煤層頂板砂質(zhì)泥巖，從距開切眼20 m處開始打1號(hào)孔，鉆孔間距15 m，低位鉆孔長度為50 m，計(jì)劃工程量3 400 m。鉆孔均為仰角鉆孔，鉆孔仰角按式(1)計(jì)算，即：

(1)

式中：α為鉆孔處煤層傾角，°；β為鉆孔仰角，°；h為開采層距鄰近層的垂高，9號(hào)煤層與5號(hào)煤層頂板間距取28.6 m；a為鉆孔深入工作面的距離，鉆孔深入距離取20 m；b為隔離煤柱寬度，隔離煤柱取25 m。

3.3 回風(fēng)巷道迎向鉆孔布置參數(shù)

9308工作面回風(fēng)巷道共布置326個(gè)迎向抽采鉆孔，鉆孔均指向回風(fēng)隅角方向施工，鉆孔終孔間距為15 m，鉆孔終孔點(diǎn)選擇在9號(hào)煤層頂板以上22 m位置，伸入工作面的長度為13 m。

圖1 9308工作面瓦斯抽采巷抽采鉆孔布置示意

3.4 鉆孔施工及封孔

所有鉆孔均使用ZDY3200S型煤礦用坑道鉆機(jī)，用D193 mm鉆頭開孔，然后用D193 mm鉆頭鉆進(jìn)。封孔選用QB(FKMB-500)瓦斯鉆孔封孔密閉填充劑封孔。瓦斯鉆孔封孔密閉填充劑封孔，要求“嚴(yán)、緊、密”，確保瓦斯抽采時(shí)不漏氣。9308瓦斯抽采巷和9308回風(fēng)巷道內(nèi)各鋪設(shè)一趟D380 mm瓦斯抽采巷管。

4 鄰近層瓦斯抽采效果考察

9308工作面于2018年1月初開始初采，通過統(tǒng)計(jì)2018年2月1日至2018年8月30日9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔以及回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的抽采負(fù)壓、混合流量、瓦斯?jié)舛群图兺咚沽髁繑?shù)據(jù)，分別得出了9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔以及回風(fēng)巷道鉆場鉆孔抽采混合流量、抽采瓦斯?jié)舛?、抽采純瓦斯流量、單孔平均抽采混合流量、單孔平均抽采純瓦斯流量與抽采時(shí)間(從2018年2月1日起)的關(guān)系，如圖2至圖6所示，并通過上述關(guān)系分析9308工作面瓦斯抽采巷高位鉆孔、瓦斯抽采巷低位鉆孔、回風(fēng)巷道鉆場鉆孔以及整體的抽采效果。

圖2 總混合流量與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

4.1 總混合流量與抽采時(shí)間的關(guān)系

1) 從圖2中可以看出，在前43 d(2018年2月1日至2018年4月13日)這段時(shí)間各抽采指標(biāo)的波動(dòng)比較大，之后開始趨于穩(wěn)定或有規(guī)律的變化。因此將前43 d這段時(shí)間稱之為抽采波動(dòng)期，之后的時(shí)間稱之為抽采穩(wěn)定期。

圖3 濃度與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

2) 在抽采波動(dòng)期抽采總混合流量并不穩(wěn)定，其中瓦斯抽采巷低位鉆孔的總混合流量波動(dòng)最為顯著，瓦斯抽采巷高位鉆孔的總混合流量波動(dòng)最小。在此期間，瓦斯抽采巷低位鉆孔的總混合流量最高，回風(fēng)巷道鉆場鉆孔次之，瓦斯抽采巷高位鉆孔最低。這是因?yàn)?號(hào)煤層層位低，受采動(dòng)影響快，煤層瓦斯迅速解吸。而6號(hào)煤層和5號(hào)煤層層位較高，受采動(dòng)影響的時(shí)間較晚。原因是在回采初期，5號(hào)、6號(hào)煤層的卸壓并不充分，只有少量瓦斯解吸，因此瓦斯抽采巷高位鉆孔能抽出的瓦斯量較少。在抽采波動(dòng)期瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的瓦斯大部分應(yīng)該是屬于8號(hào)煤層的。

3) 在抽采正常期，各類鉆孔抽采的總混合量都逐漸上升，其中瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合流量上升最為明顯，其由第33 d的20 m3/min提高至第210 d的92.1 m3/min。瓦斯抽采巷低位鉆孔抽采的總混合量由第43 d的24.5 m3/min提高至第217 d的64.2 m3/min。瓦斯抽采巷低位鉆孔和高位鉆孔抽采的總混合流量在第217 d后開始下降?；仫L(fēng)巷道鉆場鉆孔抽采的總混合流量則由第43 d的25.8 m3/min提高至第144 d的59.2 m3/min，之后則開始下降并趨于穩(wěn)定。

4) 抽采120 d之后，瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合流量明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔，說明此時(shí)高位的5號(hào)、6號(hào)煤層已充分卸壓，大量的卸壓瓦斯解吸出來之后儲(chǔ)存在周圍的裂隙中。由于5號(hào)、6號(hào)煤層層位高，同時(shí)6號(hào)煤層與8號(hào)煤層層間距為11 m，因此5號(hào)、6號(hào)煤層的卸壓瓦斯短時(shí)間內(nèi)不會(huì)向下運(yùn)移到8號(hào)煤層，所以5號(hào)煤層的卸壓瓦斯大部分被瓦斯抽采巷高位鉆孔抽出，且其濃度較高。而6號(hào)、8號(hào)煤層與9號(hào)煤層層間距小，周圍巖層受9號(hào)煤層工作面采動(dòng)影響顯著，采動(dòng)裂隙大量發(fā)育，這些裂隙將6號(hào)、8號(hào)煤層與和9號(hào)煤層工作面的采空區(qū)溝通。由于6號(hào)、8號(hào)煤層周圍巖層中的采動(dòng)裂隙與9號(hào)煤層工作面采空區(qū)溝通，造成瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔終孔的負(fù)壓值增大，8號(hào)、9號(hào)煤層周圍的裂隙則相對(duì)封閉。在抽采負(fù)壓無太大差別的情況下，瓦斯抽采巷高位鉆孔開口與終孔之間的負(fù)壓差將明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔開口與終孔之間的負(fù)壓差。這就造成了瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總混合量明顯比瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔高。

4.2 濃度與抽采時(shí)間的關(guān)系

1) 在抽采波動(dòng)期各類鉆孔抽采瓦斯的濃度波動(dòng)也比較明顯，其中瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采濃度的波動(dòng)最為劇烈，但其抽采濃度較高。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔抽采濃度的波動(dòng)較小，但其值較小，只有約20%。

2) 進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后，瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度逐漸從35.1%提高至80.2%。在第78 d之后雖然瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度有所下降并呈有規(guī)律的波動(dòng)狀態(tài)，但總體上其抽采濃度都穩(wěn)定在60%以上。第198 d之后瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度開始下降。

3) 進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后，瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的抽采濃度則呈現(xiàn)兩階段的發(fā)展態(tài)勢。第一階段為從第43 d至第84 d，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的抽采濃度比較低，只有10%～20%。第二階段為從84 d之后，瓦斯抽采巷低位鉆孔的抽采濃度先上升后緩慢下降，回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的抽采濃度則呈波浪式上升，濃度從9.6%上升至51%。

4) 瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采濃度明顯高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔，這也是瓦斯抽采巷高位鉆孔終孔層位較高，瓦斯抽采巷高位鉆孔終孔周圍裂隙的封閉性較好，并未與9號(hào)煤層工作面采空區(qū)明顯溝通，保證了鉆孔開口與終孔之間的負(fù)壓差，這才能抽出高濃度的瓦斯。而瓦斯抽采巷低位鉆孔與回風(fēng)巷道鉆場鉆孔終孔層位低，終孔周圍裂隙與9號(hào)煤層工作面采空區(qū)明顯溝通，抽采過程中就容易混入采空區(qū)的空氣而無法抽出高濃度的瓦斯。

4.3 總純瓦斯流量與抽采時(shí)間的關(guān)系

1) 抽采波動(dòng)期各類鉆孔抽采的總純瓦斯流量不穩(wěn)定，呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，其值都保持在20 m3/min以下。同時(shí)瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔抽采的純瓦斯流量。

2) 進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后，瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量逐步上升。瓦斯抽采巷高位鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第43 d的7.0 m3/min上升至第198 d的68.5 m3/min，之后則開始下降。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場抽采的總純瓦斯流量呈兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是第43 d至第84 d，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的總純瓦斯流量相對(duì)穩(wěn)定，一直維持在3～4 m3/min。第二個(gè)階段是第84 d之后，期間瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的總純瓦斯流量開始逐漸上升。瓦斯抽采巷低位鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第84 d的2.6 m3/min上升至第218 d的13.8 m3/min，呈穩(wěn)定上升趨勢，之后則開始緩慢下降?；仫L(fēng)巷道鉆場鉆孔抽采的總純瓦斯流量從第84 d日的4.5 m3/min上升至第224 d的24.6 m3/min，期間雖有波動(dòng)，但總體上呈上升趨勢。

圖4 總純瓦斯流量與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 單孔平均混合流量與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

4.4 單孔平均混合流量與抽采時(shí)間的關(guān)系

在抽采波動(dòng)期瓦斯抽采巷高、低位鉆孔的單孔平均混合流量波動(dòng)明顯，而回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的單孔平均混合流量則很穩(wěn)定，一直維持在2～3 m3/min之間。進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后各類鉆孔的單孔平均混合流量很穩(wěn)定，只是在第64 d至第104 d之間出現(xiàn)過小幅上升。瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔一直保持在3～3.5 m3/min之間，而瓦斯抽采巷高位鉆孔比之略高，保持在4～4.5 m3/min之間。各類鉆孔的打孔平均混合流量在抽采穩(wěn)定期如此穩(wěn)定，說明抽采系統(tǒng)穩(wěn)定正常，各類鉆孔的抽采效率基本一致。

4.5 單孔平均純瓦斯流量與抽采時(shí)間的關(guān)系

在抽采波動(dòng)期，瓦斯抽采巷高位鉆孔的單孔平均純瓦斯流量遠(yuǎn)高于瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔，但瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的單孔平均純瓦斯流量相差不大。進(jìn)入抽采穩(wěn)定期后，各類鉆孔的單孔平均純瓦斯流量隨時(shí)間的變化趨勢與圖5中濃度與時(shí)間的變化趨勢基本一致。

圖6 單孔平均純瓦斯流量與抽采時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié) 語

1) 由于陽泉礦區(qū)開采9號(hào)煤層時(shí)，其瓦斯涌出量主要來源于上鄰近層，其鄰近層瓦斯涌出量占43%～32%以上。因此，采用鄰近層抽放瓦斯方法，工作面瓦斯抽采率一般能達(dá)到50%以上。

2) 從9308工作面瓦斯抽采巷的效果考察結(jié)果來看，瓦斯抽采巷高位鉆孔的抽采效果比瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的效果好，除單孔平均混合流量外，瓦斯抽采巷高位鉆孔其余各項(xiàng)指標(biāo)的值都比瓦斯抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷道鉆場鉆孔的值高。