伏巖煤礦3202工作面瓦斯治理技術(shù)研究與應(yīng)用

梁淑慶

（山西陽城陽泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城048105）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團(tuán)伏巖煤業(yè)有限責(zé)任公司3202工作面位于二采區(qū)大巷西側(cè)，南鄰3201采空區(qū)，北面為實(shí)體煤，東鄰二采區(qū)大巷。工作面走向長(zhǎng)853 m，傾斜長(zhǎng)190 m，開采的3號(hào)煤層均厚4.96 m，平均傾角4°；煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，頂板巖層為粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，底板巖層為炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，屬于煤與瓦斯突出煤層；煤層原始瓦斯含量為10.81～14.7 m3/t，原始瓦斯壓力為1.01～1.51 MPa，采用“U”型通風(fēng)，為保障回采期間的安全，特進(jìn)行瓦斯抽采方案及抽采效果的分析。

2 瓦斯抽采方案

根據(jù)3202工作面的地質(zhì)及瓦斯賦存特征，結(jié)合眾多理論研究與工程實(shí)踐結(jié)果[1-3]，確定采用地面鉆孔+高位鉆孔+定向長(zhǎng)鉆孔相結(jié)合的瓦斯治理方案，具體各項(xiàng)瓦斯抽采措施的設(shè)計(jì)原則及參數(shù)如下：

2.1 地面鉆孔抽采

在進(jìn)行地面鉆孔抽采方案設(shè)計(jì)時(shí)，需確定鉆孔的合理層位和鉆孔間距；其中地面鉆孔的合理布置層位為覆巖裂隙帶的中下部[4]，進(jìn)一步根據(jù)“O”型圈理論，確定將鉆井布置在覆巖“O”型圈里邊可實(shí)現(xiàn)較好的效果，根據(jù)工作面通風(fēng)方式可知，采空區(qū)的瓦斯主要集中在回風(fēng)巷一側(cè)，確定地面鉆孔布置在距離回風(fēng)巷20～60 m處。根據(jù)地面鉆孔的抽采經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，地面鉆孔的抽采半徑在100～200 m之間，為保障抽采效果，確保抽采鉆孔存在一定的重疊區(qū)域，確定地面鉆孔的抽采半徑為120 m。鉆孔布置形式見圖1。

圖1 地面鉆孔?布置方式示意圖

基于上述地面鉆井的布置原則，確定在3202工作面走向間距100～120 m內(nèi)均勻布置地面鉆孔，終孔位置位于冒落帶中下部，鉆孔深度為400～423 m范圍內(nèi)，鉆孔間距在30～170 m范圍內(nèi)。

2.2 高位鉆孔抽采

在進(jìn)行高位鉆孔抽采方案設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的參數(shù)有鉆場(chǎng)間距、鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔個(gè)數(shù)、鉆孔間距，具體參數(shù)確定過程如下：

1）鉆場(chǎng)間距：間距設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)取保鉆場(chǎng)鉆孔在抽采范圍內(nèi)存在一定的重合，每個(gè)鉆孔均可實(shí)現(xiàn)高濃度的抽采，基于工作面的地質(zhì)資料可知，回采后冒落帶的高度為0～13 m，當(dāng)前一個(gè)鉆場(chǎng)接近冒落帶區(qū)域時(shí)，后續(xù)鉆場(chǎng)應(yīng)進(jìn)入到適宜的抽采區(qū)域，據(jù)此確定鉆場(chǎng)的間距為80 m，鉆場(chǎng)間的壓茬長(zhǎng)度為30 m。

2）鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔個(gè)數(shù)：高位鉆孔布置時(shí)，鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔的數(shù)量越多，瓦斯抽采范圍便會(huì)越大，結(jié)合工作面的瓦斯賦存情況，確定每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置10個(gè)鉆孔。

3）鉆孔間距：鉆孔的間距主要包括2個(gè)因素，分別為鉆孔開孔位置和終孔位置間距，根據(jù)相關(guān)理論研究可知[5]，鉆孔間距一般不小于0.5 m，終孔間距一般在5 m以上時(shí)可有效避免抽采范圍的重疊，實(shí)現(xiàn)瓦斯的高效抽采；基于上述分析，確定鉆孔開孔間距為0.4 m，終孔間距在6～10 m，終孔布置在裂隙帶的中下部，距離工作面頂板15～30 m的范圍內(nèi)。

工作面高位鉆孔布置在巷道回風(fēng)巷內(nèi)，根據(jù)工作面特征可知，工作面回采后，在工作面傾向方向上覆巖裂隙主要集中在0～65 m的范圍內(nèi)，此時(shí)易進(jìn)行瓦斯抽采，據(jù)此確定高位鉆孔與回風(fēng)巷間的水平間距為0～65 m，鉆孔在距鉆孔底板1.5 m的位置開孔，鉆孔直徑113 mm，深度為61～82 m范圍內(nèi)，封孔長(zhǎng)度為18 m，高位鉆孔布置形式如圖2所示。

圖2 高位鉆孔布置形式平面圖

2.3 定向長(zhǎng)鉆孔抽采

定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采參數(shù)主要包括：鉆孔水平層位、垂直層位、鉆孔孔徑及封孔長(zhǎng)度，具體定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)如下：

1）水平層位確定:根據(jù)“O”型圈理論可知[6]，長(zhǎng)鉆孔布置時(shí)應(yīng)避開中部的壓實(shí)區(qū)域，布置在卸壓范圍內(nèi)，結(jié)合工作面特征及眾多工程實(shí)踐結(jié)論，確定定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷間的水平距離為0～65 m。

2）垂直層位的確定：根據(jù)3202工作面的覆巖“三帶”的分布規(guī)律可知，覆巖冒落帶高度為0～13 m，裂隙帶高度為13～40 m，在進(jìn)行定向長(zhǎng)鉆孔布置時(shí)，為避免覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)長(zhǎng)鉆孔的破壞，需將鉆孔層位布置在裂隙帶的中下部，基于此確定長(zhǎng)鉆孔在垂直方向上的層位為18～21 m。

3）鉆孔孔徑及封孔長(zhǎng)度：根據(jù)工作面瓦斯治理需要及礦井現(xiàn)有瓦斯抽采設(shè)備條件，確定鉆孔的終孔孔徑為133 mm[7]，為確保鉆孔抽采效果，設(shè)置定向長(zhǎng)鉆孔封孔長(zhǎng)度為30 m，封孔采用聚氨酯材料。

3202工作面定向長(zhǎng)鉆孔工作面風(fēng)巷內(nèi)，共計(jì)布置5個(gè)鉆孔，鉆孔間的平行距離為15.1～15.6 m，1號(hào)鉆孔長(zhǎng)度為460 m，2-5號(hào)鉆孔長(zhǎng)度均為500 m，具體定向長(zhǎng)鉆孔軌跡圖如圖3。

圖3 定向長(zhǎng)鉆孔布置軌跡示意圖

3 瓦斯抽采效果分析

為分析3202工作面瓦斯抽采方案的合理性，在地面鉆孔、高位鉆孔及定向長(zhǎng)鉆孔抽采期間均進(jìn)行瓦斯抽采濃度及抽采流量的監(jiān)測(cè)分析，具體各項(xiàng)抽采措施的應(yīng)用效果如下：

1）地面鉆孔抽采效果。根據(jù)地面鉆孔抽采期間的瓦斯監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，不同地面抽采鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛群统椴杉兞康淖兓€基本呈現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)，現(xiàn)以新3號(hào)和新4號(hào)孔進(jìn)行分析，鉆孔抽采瓦斯純量及濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

分析圖4可知，新3號(hào)孔和新4號(hào)孔在抽采初期，由于鉆孔并未進(jìn)入卸壓區(qū)域，導(dǎo)致抽采瓦斯?jié)舛群土髁烤^小，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，鉆孔抽采瓦斯純量和濃度均逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)過新3號(hào)鉆孔80～120 m時(shí)，鉆孔的最大瓦斯抽采純量和抽采濃度均達(dá)到了最大值，分別為2.91 m3/min和49.7%，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)逐漸遠(yuǎn)離鉆孔，采空區(qū)覆巖中的裂隙逐漸被壓實(shí)，當(dāng)工作面過鉆孔230 m時(shí)，鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛燃凹兞烤饾u衰減；新4號(hào)鉆孔在工作面回采90 m，抽采瓦斯純量和濃度達(dá)到最大值，分別為5.48 m3/min和47.5%，在工作面遠(yuǎn)離新4號(hào)孔250 m以后，瓦斯抽采效果逐漸降低，但仍存在一定的抽采量；基于上述分析可知，地面鉆孔抽采作用范圍較大，抽采效果較好。

圖4 瓦斯抽采濃度及純量隨時(shí)間變化曲線圖

2）高位鉆孔抽采效果。根據(jù)高位鉆孔瓦斯抽采期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)以2號(hào)高位鉆場(chǎng)的瓦斯抽采純量和抽采濃度曲線進(jìn)行具體分析，曲線圖如圖5。

分析圖5可知，在工作面回采期間，2號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔抽采混合量的平均值為15.34 m3/min，最大值為23.1 m3/min，抽采瓦斯平均濃度為7.05%，抽采濃度最大值為13.5%，瓦斯抽采濃度及抽采純量均較大，抽采效果良好。

3）定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果。工作面回采期間，定向長(zhǎng)鉆孔共計(jì)抽采89d，根據(jù)抽采監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群统椴杉兞壳€圖如圖6所示。

分析圖6可知，工作面回采期間，定向長(zhǎng)鉆孔的抽采濃度和抽采純量曲線均呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，鉆孔平均瓦斯抽采濃度為14.06%，平均瓦斯抽采純量為0.65 m3/min，抽采效果良好。

4）回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛取轵?yàn)證分析工作面抽采方案實(shí)現(xiàn)的整體抽采效果，在工作面回采期間進(jìn)行上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出如圖7所示的曲線圖。

分析圖7可知，3202工作面在現(xiàn)有瓦斯抽采方案下，工作面回采期間上隅角的瓦斯?jié)舛仍?.11%～0.33%的范圍內(nèi)，平均瓦斯?jié)舛葹?.18%，回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍?.06%～0.27%的范圍內(nèi)，平均瓦斯?jié)舛葹?.14%，遠(yuǎn)低于規(guī)程規(guī)定的限值，即表明抽采方案有效解決了工作面瓦斯含量高的問題。

4 結(jié)論

根據(jù)3202工作面的地質(zhì)及瓦斯賦存條件，確定工作面采用地面鉆孔+高位鉆孔+定向長(zhǎng)鉆孔相結(jié)合的瓦斯抽采方案，通過分析抽采措施的設(shè)計(jì)原則，基于工作面特征進(jìn)行具體抽采參數(shù)的確定，根據(jù)抽采方案實(shí)施時(shí)的監(jiān)測(cè)分析可知，各項(xiàng)抽采措施抽采效果較高，抽采效果顯著，保障了工作面的安全回采。