東大煤礦采空區(qū)瓦斯抽放設(shè)計(jì)與應(yīng)用

景 賀

（晉能控股晉城煤炭事業(yè)部宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

東大煤礦主要開采3#煤層，采用一次采全高綜合采煤工藝，平均開采高度為5.3 m。通過(guò)前期對(duì)東大煤礦的地質(zhì)勘察資料分析可知，當(dāng)?shù)V井生產(chǎn)能力每年達(dá)到500萬(wàn)t時(shí)，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為29.1 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為306.4 m3/min，其中回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為202.3 m3/min，掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為33.4 m3/min，采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為70.7 m3/min。經(jīng)鑒定，14151工作面瓦斯含量為12.5 m3/t，瓦斯壓力在1.2～1.4 MPa之間，屬于突出危險(xiǎn)工作面。

東大煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)由8臺(tái)2BEC120型瓦斯抽采泵組成，其中6臺(tái)服務(wù)本煤層和穿層鉆孔預(yù)抽，3用3備，2臺(tái)服務(wù)采空區(qū)和低位高抽巷瓦斯抽采，1用1備。根據(jù)3#煤層瓦斯賦存規(guī)律以及礦井開拓方式，東大煤礦瓦斯防治采用地面井抽采先行、本煤層抽采為主、穿層鉆孔抽采為輔、采空區(qū)瓦斯加強(qiáng)抽采的綜合瓦斯抽采方法。通過(guò)井上井下聯(lián)合抽采，預(yù)抽與邊采邊抽、邊掘邊抽相結(jié)合，達(dá)到預(yù)防瓦斯突出，保證礦井安全生產(chǎn)的目的。

采空區(qū)瓦斯是煤礦回采過(guò)程中涌出瓦斯的主要組成部分，當(dāng)采空區(qū)瓦斯涌出量較多時(shí)，回采工作面瓦斯?jié)舛热菀壮蕖２煽諈^(qū)瓦斯治理不同于回采工作面瓦斯治理的方法，增加工作面風(fēng)量，可能使采空區(qū)漏風(fēng)更加嚴(yán)重，增加采空區(qū)對(duì)工作面的瓦斯涌出量。因此，治理采空區(qū)瓦斯需要采用合適的方法，通過(guò)高位抽放可以有效地解決工作面上隅角瓦斯超限的問(wèn)題。采用合理的鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，對(duì)采空區(qū)瓦斯綜合治理以及礦井工作面安全回采具有重要的作用[1-5]。

2 采空區(qū)瓦斯抽放設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔布置層位

采空區(qū)“三帶”分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。采空區(qū)上覆巖層向下移動(dòng)首先形成冒落帶，瓦斯賦存在冒落巖層的裂隙中，通過(guò)布置高位鉆孔可以將裂隙中的瓦斯抽放出來(lái)。隨著工作面的推進(jìn)，在采空區(qū)會(huì)形成冒落拱，在冒落拱附近裂隙較為發(fā)育，垂向裂隙所占比例較高，將工作面高位鉆孔布置在裂隙帶中，能夠有效提高采空區(qū)瓦斯抽放量。工作面高位鉆孔布置示意圖如圖1。

圖1 高位鉆孔布置示意圖

2.2 鉆孔參數(shù)計(jì)算

（1）鉆孔有效高度計(jì)算

根據(jù)東大煤礦開采煤層厚度、開采工藝以及上覆巖層巖性等參數(shù)，采用經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算鉆孔有效高度。冒落帶高度與上覆巖層的碎脹性有關(guān)，通常情況下為煤層厚度的3～5倍，采用公式（1）計(jì)算冒落帶高度：

式中：Hm為冒落帶高度，m；M為煤層開采厚度，m。

東大煤礦平均煤層開采厚度為5.3 m，根據(jù)式（1）計(jì)算冒落帶高度為9.9～14.3 m。

裂隙帶高度根據(jù)公式（2）計(jì)算得到：

式中：Hl為裂隙帶高度，m。

通過(guò)公式（2）計(jì)算得到裂隙帶高度為38.3～49.5 m。

鉆孔布置層位應(yīng)在冒落帶上方，裂隙帶中下部位。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)因素與施工情況，選取鉆孔有效高度范圍為20～43 m。

（2）鉆孔布置數(shù)量

鉆孔布置數(shù)量由抽放瓦斯量以及封孔管的直徑等因素決定，具體計(jì)算公式如式（3）：

式中：N為鉆孔數(shù)量，個(gè)；Q為瓦斯抽放總量，m3/min；D為封孔管直徑，m；V為瓦斯流速，m/min；C為抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?。

高位鉆孔需抽采采空區(qū)瓦斯總量為16.71 m3/min，直徑為0.113 m，瓦斯?jié)舛葹?%，瓦斯流速取900 m/min。根據(jù)公式（3）計(jì)算得到鉆孔數(shù)量約為5.79個(gè)，考慮到瓦斯涌出的不均勻性、成孔完整性以及考慮一定的安全范圍，鉆孔數(shù)量設(shè)計(jì)為8個(gè)。

（3）鉆孔封孔深度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用，高位鉆孔封孔深度取8 m。同一鉆場(chǎng)各鉆孔的封孔深度應(yīng)保持一致。

（4）鉆場(chǎng)布置間距

為了能夠有效地抽采出采空區(qū)內(nèi)瓦斯，鉆場(chǎng)布置間距應(yīng)保證每個(gè)鉆孔終孔位置在前一個(gè)鉆孔的有效長(zhǎng)度范圍內(nèi)。鉆場(chǎng)間距布置示意圖如圖2。公式（4）為鉆孔的有效利用率。

圖2 鉆場(chǎng)間距布置示意圖

式中：Hz為鉆孔終孔高度，m；Hm為冒落帶高度，m。

鉆孔的有效長(zhǎng)度根據(jù)公式（5）計(jì)算得到。

式中：L有效為鉆孔有效長(zhǎng)度，m；L孔為鉆孔實(shí)際長(zhǎng)度，m。

根據(jù)公式（6）確定鉆場(chǎng)間距。

式中：L間距為鉆場(chǎng)間距，m；α為鉆孔仰角，（°）。

通過(guò)計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，鉆場(chǎng)合理布置間距取60 m。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 高位鉆孔施工參數(shù)

以東大煤礦14151工作面為研究對(duì)象。工作面采用U型通風(fēng)方式，即工作面一側(cè)布置運(yùn)輸巷為進(jìn)風(fēng)巷，另一側(cè)布置回風(fēng)巷進(jìn)行回風(fēng)。同時(shí)在回采過(guò)程中及時(shí)密封采空區(qū)兩側(cè)原有聯(lián)絡(luò)巷，防止采空區(qū)漏風(fēng)造成瓦斯大量涌出。

采空區(qū)瓦斯抽放鉆場(chǎng)布置在14151工作面回風(fēng)巷內(nèi)，在距切眼160 m處開始布置。鉆場(chǎng)間距60 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置8個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為113 mm，鉆孔的有效高度為20～43 m，采用PVC管配合馬麗散進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度不小于8 m。14151工作面通風(fēng)方式及高位鉆孔布置示意圖如圖3。以第四鉆場(chǎng)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，安裝4組孔板流量計(jì)，監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)瓦斯混合流量以及瓦斯?jié)舛?。第四鉆場(chǎng)的詳細(xì)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 第四鉆場(chǎng)高位鉆孔參數(shù)表

圖3 14151工作面通風(fēng)方式及高位鉆孔布置示意圖

3.2 瓦斯抽采效果分析

對(duì)第四鉆場(chǎng)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量隨工作面推進(jìn)距離的變化情況分析，進(jìn)而驗(yàn)證高位鉆孔布置參數(shù)的合理性。瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞侩S推進(jìn)距離變化曲線如圖4。

從圖4中可以看出，隨著14151工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)裂隙帶逐漸發(fā)育，鉆孔瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞恳仓饾u升高，瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到14.5%，瓦斯純量最高達(dá)到1.4%。1號(hào)孔在46～120 m范圍抽放瓦斯效果顯著，2號(hào)鉆孔在46～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，3號(hào)孔在90～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，4號(hào)孔在40～130 m范圍抽放瓦斯效果較好，整體瓦斯抽放效果得到明顯提高。

圖4 抽放瓦斯與工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采空區(qū)瓦斯是回采工作面瓦斯的主要來(lái)源，采用高位鉆孔可以對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行有效抽放，采用合理的鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，保證工作面回采能夠安全有序進(jìn)行。

（2）對(duì)14151工作面采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)可以有效提高瓦斯抽采效果。高位鉆孔布置層位應(yīng)在冒落帶上方，裂隙帶中下部位，每個(gè)鉆場(chǎng)布置8個(gè)抽采鉆孔，鉆場(chǎng)間距取60 m。隨工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)裂隙帶逐漸發(fā)育，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞恐饾u升高。