侯國(guó)培 郭陽(yáng)陽(yáng) 胡延偉

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272055；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590）

瓦斯抽采作為防止礦井瓦斯災(zāi)害的根本方法在瓦斯礦井中得到全面應(yīng)用，頂板水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽放技術(shù)是治理工作面采空區(qū)瓦斯的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果[1]。為了使這一技術(shù)更加切實(shí)有效地治理瓦斯災(zāi)害，合理設(shè)計(jì)其技術(shù)參數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)瓦斯礦井安全高效開(kāi)采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井概況

唐口礦井位于山東省濟(jì)寧市西郊，礦井2006年1月投入生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力500萬(wàn)t。經(jīng)煤科總院沈陽(yáng)研究院鑒定，目前開(kāi)采的3煤煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，自然發(fā)火期為69～159d。礦井為低瓦斯礦井。

6305工作面是630采區(qū)的首采工作面，工作面煤層平均厚度為10.08m。該工作面采空區(qū)瓦斯災(zāi)害治理的技術(shù)方法是皮順高位鉆孔及隅角埋管抽放、頂板水平長(zhǎng)鉆孔綜合治理。

2 6305工作面瓦斯情況

由于6305工作面開(kāi)采的3煤層無(wú)上下鄰近煤層的開(kāi)采，所以該工作面涌出的瓦斯來(lái)自本煤層。對(duì)6305工作面開(kāi)采層瓦斯涌出量進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)，計(jì)算出6305工作面煤層原始瓦斯含量為2.58m3/t，殘余瓦斯含量為0.67m3/t，工作面相對(duì)瓦斯涌出量為1.49m3/t。

6305工作面的設(shè)計(jì)日產(chǎn)量為10000 t，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為3.30Mt。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得該工作面的瓦斯涌出量為1.55m3/t，供風(fēng)量為29.35m3/s。若不采取任何抽采措施，經(jīng)計(jì)算該工作面容許的最大年產(chǎn)量為2.80Mt，根據(jù)規(guī)定，當(dāng)回采工作面的瓦斯涌出量高于通風(fēng)能力所允許的瓦斯涌出量單靠通風(fēng)稀釋無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量時(shí)，那么瓦斯抽采就是必要的。結(jié)合計(jì)算的結(jié)果，認(rèn)為6305工作面若要達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量，則必須采取瓦斯抽采措施。因此，需要對(duì)唐口煤礦6305工作面頂板水平長(zhǎng)鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 6305工作面頂板水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

3.1 頂板水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采作用原理

隨著采煤工作面的推進(jìn)，采空區(qū)四周的原有應(yīng)力平衡遭到了破壞，圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移和重新分布。在新的應(yīng)力作用下，采空區(qū)的圍巖自下而上發(fā)生不同的變形、移動(dòng)和破壞。根據(jù)錢(qián)鳴高院士提出的“巖層控制的關(guān)鍵層理論”[2]，煤層開(kāi)采后上覆巖層采動(dòng)裂隙區(qū)可劃分為“橫三區(qū)”和“豎三帶”。“橫三區(qū)”即沿工作面推進(jìn)方向在工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷區(qū)域分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)；“豎三帶”即采空區(qū)沿垂直方向由下往上劃分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。煤層開(kāi)采后巖層移動(dòng)特征如圖1所示。

圖1 回采工作面上覆巖層沿工作面推進(jìn)方向分區(qū)

煤層開(kāi)采后在上述區(qū)域的巖層中形成兩類(lèi)裂隙：離層裂隙和豎向破斷裂隙。離層裂隙隨著工作面推進(jìn)從開(kāi)切眼開(kāi)始逐漸增大，其中采空區(qū)中部離層裂隙最發(fā)育，但隨著工作面開(kāi)采距離不斷增大，采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實(shí)，而采空區(qū)上下兩側(cè)由于煤壁的支撐作用，離層裂隙仍較發(fā)育，這樣采空區(qū)四周形成一個(gè)連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)，便形成了“O”形圈[3-4]。

采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的動(dòng)力有兩種，一是由于瓦斯的密度相對(duì)空氣的密度小，從而使得瓦斯有向采空區(qū)上方運(yùn)移的動(dòng)力；二是由于進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷存在著壓力差，使得瓦斯有向回風(fēng)隅角匯集的動(dòng)力，因此在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的采空區(qū)上方裂隙帶是瓦斯富集的場(chǎng)所[5-6]。

根據(jù)采空區(qū)的“O”形圈理論，如果從工作面回風(fēng)順槽沿煤層走向在煤層頂板向采空區(qū)上方施工水平長(zhǎng)鉆孔，抽放采空區(qū)頂板裂隙或冒落空間內(nèi)積存的高濃度瓦斯，就能夠切斷上鄰近層瓦斯涌向工作面的通道，改變采空區(qū)流場(chǎng)分布，減少采空區(qū)瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯積聚。水平長(zhǎng)鉆孔的抽放負(fù)壓，加速了裂隙帶內(nèi)瓦斯的流動(dòng)，從而使水平長(zhǎng)鉆孔能夠抽出高體積分?jǐn)?shù)的瓦斯，使得匯集到上隅角的瓦斯大大減少。

分析采空區(qū)上覆巖層自下而上的冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三個(gè)區(qū)域，若把水平長(zhǎng)鉆孔布置在冒落帶內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，該區(qū)域因受回采風(fēng)量的影響，瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定，抽出的瓦斯?jié)舛鹊?，抽放量小，效果差；若把鉆孔布置在彎曲下沉帶，巖層保持原有完整性，裂隙不夠發(fā)育，裂隙之間連通性差，很難抽出大量瓦斯。因此，應(yīng)該將水平長(zhǎng)鉆孔布置在裂隙帶。裂隙帶又可分為嚴(yán)重?cái)嗔褞?、一般斷裂帶和微小斷裂帶。而裂隙帶下部的?yán)重裂隙帶則是布置高位鉆孔的最佳區(qū)域。

3.2 頂板水平長(zhǎng)鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 鉆場(chǎng)的設(shè)計(jì)

（1）鉆場(chǎng)布置地點(diǎn)的選擇

從采空區(qū)漏風(fēng)流流線(xiàn)可知，回風(fēng)隅角及其附近是漏風(fēng)流匯集的地方，因此水平長(zhǎng)鉆孔應(yīng)布置在回風(fēng)巷道一側(cè)，沿走向在煤層頂板向采空區(qū)上方施工鉆孔，抽放采空區(qū)頂板裂隙和冒落空間的高濃度瓦斯。

（2）鉆場(chǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了2個(gè)鉆場(chǎng)，編號(hào)#1～#2。

3.2.2 鉆孔的設(shè)計(jì)

（1）鉆孔有效高度范圍

經(jīng)計(jì)算，確定鉆孔距頂板有效高度為24.10～50.23m。

（2）鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

6305工作面開(kāi)采的煤層比較穩(wěn)定，所以#1～#2鉆場(chǎng)施工鉆孔時(shí)，施工工藝與具體參數(shù)一致。每個(gè)鉆場(chǎng)施工3組鉆孔，每個(gè)鉆孔的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔詳細(xì)參數(shù)

4 瓦斯抽采效果分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的時(shí)間為2016年11月1日至12月20日，分別對(duì)6305工作面的1#～3#頂板水平長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行為期50d左右的瓦斯抽采數(shù)據(jù)采集。選取20d代表性的瓦斯抽采數(shù)據(jù)繪制成條形圖、折線(xiàn)圖（如圖2～5所示）分析瓦斯抽采的效果。

圖2 瓦斯抽采平均濃度統(tǒng)計(jì)圖

圖3 瓦斯抽采平均純量統(tǒng)計(jì)圖

圖4 回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛?/p>

根據(jù)圖示抽采數(shù)據(jù)可以看出：

（1）1#～3#鉆孔瓦斯抽采平均濃度分別為12.36%、18.39%、15.21%，瓦斯抽采平均純量分別為 4.03m3/min、5.22m3/min、4.56m3/min。50d內(nèi)抽采狀態(tài)比較穩(wěn)定，并且保持著較高的抽采濃度。

（2）1#～3#鉆孔回風(fēng)隅角平均瓦斯?jié)舛确謩e為0.42%、0.39%、0.41%，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛确謩e為0.15%、0.14%、0.14%，50d內(nèi)回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛确舷嚓P(guān)規(guī)定的要求。

圖5 回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/p>

5 結(jié)論

（1）對(duì)唐口煤礦6305工作面的瓦斯來(lái)源進(jìn)行了分析，并對(duì)該工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)合計(jì)算的結(jié)果和6305工作面的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，認(rèn)為該工作面需要采取瓦斯抽采措施。

（2）充分考慮各種瓦斯抽采技術(shù)的特點(diǎn)后，決定在該工作面施工頂板水平長(zhǎng)鉆孔治理瓦斯災(zāi)害，并對(duì)頂板水平長(zhǎng)鉆孔參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)分析計(jì)算，整個(gè)皮帶順槽共布置2個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工3組鉆孔，鉆孔的終孔高度分別為頂板以上26m、42m、48m。

（3）在6305工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果表明測(cè)量期間，鉆孔的抽采情況穩(wěn)定且保持了較高的抽采濃度；該工作面的瓦斯也得到有效治理，回風(fēng)隅角與回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛染闯?；說(shuō)明所做的頂板水平長(zhǎng)鉆孔的參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的。