段會軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

綜放工作面上隅角是采空區(qū)漏風(fēng)匯集處，由于瓦斯的上浮運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動，采空區(qū)瓦斯及割煤卸壓解析瓦斯向外逸散，造成上隅角瓦斯積聚，同時風(fēng)流在通過工作面上隅角時風(fēng)速較小，易在上隅角形成渦流區(qū)，使積聚的瓦斯很難被風(fēng)流帶走，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸?，造成重大安全隱患[1-3]。

目前，上隅角瓦斯治理主要采用抽采法降低瓦斯?jié)舛龋鶕?jù)抽采位置的差異，可分為本煤層抽采、采空區(qū)抽采、上隅角抽采等方法[4-8]。本煤層抽采法主要有順層預(yù)抽鉆孔抽采[9]、水力壓裂增透技術(shù)[10]等；采空區(qū)抽采法主要有常規(guī)穿層鉆孔[11]、高位定向鉆孔[12]等；上隅角抽采法主要有上隅角插(埋)管[13]、射流風(fēng)機(jī)等。然而，隨著井下開采設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，綜放工作面開采強(qiáng)度越來越大，割落煤及采空區(qū)遺煤增多，上隅角瓦斯涌出量加劇，傳統(tǒng)單一的上隅角瓦斯治理技術(shù)已不能滿足高強(qiáng)度開采綜放工作面安全生產(chǎn)的需求[14-15]。因此，筆者以中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦典型的高強(qiáng)度開采綜放工作面為工程背景，提出上隅角插(埋)管與高位定向鉆孔聯(lián)合抽采的方法，旨在解決上隅角瓦斯嚴(yán)重超限問題。

1 工程背景

王家?guī)X煤礦位于華北板塊鄂爾多斯地塊河?xùn)|區(qū)塊南部邊緣。井田內(nèi)2號、10號煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，3號煤層為較穩(wěn)定大部可采煤層。礦井采用平硐開拓方式，綜采放頂煤工藝，自然垮落法管理頂板。322綜放工作面主采2號煤層，位于123盤區(qū)東翼北部，走向長3 307 m，傾向長304.8 m。煤層平均厚度為6.5 m，原始瓦斯含量為3.07～3.41 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.020 1～0.021 7 m2/(MPa2·d)，煤層透氣性差。工作面平均日推進(jìn)距離大于5 m，平均日產(chǎn)量大于1.2萬t，開采強(qiáng)度大。工作面最大絕對瓦斯涌出量為5.62 m3/min，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)多在0.8%以上，瓦斯?jié)舛瘸蕃F(xiàn)象時有發(fā)生。

2 工程實(shí)踐

上隅角插(埋)管抽采即在工作面回風(fēng)巷鋪設(shè)瓦斯抽采管路，管路沿回風(fēng)巷走向延伸至上隅角，在管口位置形成穩(wěn)定負(fù)壓區(qū)抽采上隅角瓦斯，同時通過抽吸作用形成人工風(fēng)流，擾動上隅角位置的回旋渦流，降低瓦斯?jié)舛?。但僅靠上隅角插(埋)管單一抽采很難完全杜絕上隅角瓦斯?jié)舛瘸?。因此在工作面回風(fēng)巷開掘鉆場，施工高位定向鉆孔向工作面切眼方向鉆進(jìn)，通過定向鉆進(jìn)技術(shù)使鉆孔軌跡在采空區(qū)裂隙帶內(nèi)延伸，抽采采空區(qū)高濃度瓦斯。上隅角插(埋)管與高位定向鉆孔聯(lián)合抽采布置如圖1所示。

圖1 上隅角插(埋)管與高位定向鉆孔聯(lián)合抽采布置Fig.1 Combined drainage layout of upper corner inserted(buried) pipe and high-level directional borehole

2.1 上隅角插(埋)管抽采

為確定上隅角插(埋)管抽采最佳位置，建立數(shù)值模擬模型，工作面傾向長250 m、走向長300 m、寬6 m，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長20 m、寬4 m。對未進(jìn)行插(埋)管抽采和上隅角插(埋)管沿回風(fēng)巷走向伸入采空區(qū)深度分別為2，5，10 m時采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖2所示?？煽闯龀椴汕翱拷嫌缃菂^(qū)域瓦斯?jié)舛却螅型咚節(jié)舛瘸蕃F(xiàn)象；插(埋)管伸入采空區(qū)深度為2 m時，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于1%；插(埋)管伸入采空區(qū)深度為5 m時，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.8%～0.9%；插(埋)管伸入采空區(qū)深度為10 m時，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)大于0.9%。由此可知，上隅角插(埋)管沿回風(fēng)巷走向伸入采空區(qū)深度為5 m時，瓦斯抽采效果最好。

上隅角插(埋)管布置如圖3所示。在工作面回風(fēng)巷向切眼方向鋪設(shè)φ426 mm×3.6 mm瓦斯管路，管路由6 m長薄壁鋼管連接而成。在瓦斯管路末段連接高2 m、φ273 mm的豎向埋管(管型為篩管)，沿回風(fēng)巷走向伸入采空區(qū)內(nèi)約5 m位置抽采瓦斯。在瓦斯管路末端前方12 m處通過DN250閥門安裝L型插管，插管水平位置連接φ400 mm負(fù)壓風(fēng)筒。負(fù)壓風(fēng)筒與回風(fēng)巷頂板間距約1 m，通過在回風(fēng)巷頂板施工起吊錨桿懸掛鋼絲繩固定負(fù)壓風(fēng)筒。將負(fù)壓風(fēng)筒口設(shè)置在上隅角切頂線位置，通過抽吸作用在該處形成負(fù)壓區(qū)，強(qiáng)化瓦斯抽采效果。

(a) 抽采前

(b) 插(埋)管伸入采空區(qū)深度為2 m

(c) 插(埋)管伸入采空區(qū)深度為5 m

(d) 插(埋)管伸入采空區(qū)深度為10 m

圖3 上隅角插(埋)管布置Fig.3 Layout of inserted(buried) pipe at upper corner

2.2 高位定向鉆孔抽采

垮落帶高度和裂隙帶高度一般采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：HM為垮落帶高度；M為開采煤層厚度；HL為裂隙帶高度。

工作面開采煤層厚度為6.5 m，代入式(1)、式(2)可得垮落帶高度HM=19.42～24.42 m，裂隙帶高度HL=57.43～75.23 m。高位定向鉆孔高度HS應(yīng)滿足條件：HM

利用ZDY6000LD型礦用坑道定向鉆機(jī)施工上仰鉆孔至煤層頂板目標(biāo)層位后，利用隨鉆測量技術(shù)控制定向鉆孔軌跡，使鉆孔軌跡始終在目標(biāo)層位延伸。為提高鉆孔瓦斯抽采效率，鉆孔采用“定向先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔”技術(shù)，即施工孔徑101 mm的定向鉆孔后，使用擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行全程擴(kuò)孔，將鉆孔孔徑擴(kuò)大至133 mm。具體流程分為套管段施工、定向鉆進(jìn)段施工和導(dǎo)向擴(kuò)孔段施工：① 套管段施工時首先采用φ194 mm內(nèi)凹保直鉆頭+φ73 mm摩擦焊鉆桿鉆具組合，鉆孔穿過煤層并進(jìn)入頂板，且至少鉆進(jìn)至頂板穩(wěn)定巖層3 m；然后更換φ98/153/193 mm塔式擴(kuò)孔鉆頭+φ193 mm滿眼保直扶正器+φ73 mm摩擦焊鉆桿鉆具組合，擴(kuò)孔至孔底；最后下入φ168 mm孔口套管，注入封孔材料封孔并候凝。② 定向鉆進(jìn)段施工時采用φ101 mm定向鉆頭+φ73 mm探管外管(內(nèi)置隨鉆測量儀器)+φ73 mm通纜鉆桿鉆具組合，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后提鉆，孔徑為101 mm。③ 導(dǎo)向擴(kuò)孔段施工采用φ101/133 mm導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆頭+φ73 mm摩擦焊鉆桿鉆具組合，終孔孔徑為133 mm。

工作面回風(fēng)巷鉆場內(nèi)布置4個高位定向鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，鉆孔設(shè)計(jì)軌跡如圖4所示。

表1 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of high-level directional boreholes

(a) 平面

(b) 剖面

受現(xiàn)場地質(zhì)情況影響，最終高位定向鉆孔實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡有所差別。高位定向鉆孔實(shí)際參數(shù)見表2，實(shí)際軌跡如圖5所示。

表2 高位定向鉆孔實(shí)際參數(shù)Table 2 Actual parameters of high-level directional boreholes

3 瓦斯抽采效果

從2018年6月16日開始監(jiān)測瓦斯抽采純量及上隅角瓦斯?jié)舛?，?月22日結(jié)束監(jiān)測。在7月6日、7月15日、8月21日人工切斷高位定向鉆孔抽采，6月26日、8月15日人工關(guān)閉上隅角插(埋)管通道，采用人工斷抽方法對上隅角插(埋)管、高位定向鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行考察，如圖6所示。

從圖6可看出，單一采用上隅角插(埋)管抽采瓦斯時，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)高達(dá)0.80%，接近瓦斯超限值；單一采用高位定向鉆孔抽采時，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)仍較高，達(dá)到0.71%。由此可見，單一采取插(埋)管或高位定向鉆孔抽采瓦斯，不能有效降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

(a) 平面

(b) 剖面

圖6 上隅角插(埋)管與高位定向鉆孔瓦斯抽采效果對比Fig.6 Comparison of gas extraction effect between upper corner inserted(buried) pipes and high-level directional boreholes

上隅角插(埋)管與高位定向鉆孔聯(lián)合抽采時，瓦斯抽采純量與上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€如圖7所示?？煽闯雎?lián)合抽采瓦斯純量在6月16日—7月16日逐步增長，為1.33～3.80 m3/min，之后基本穩(wěn)定在3.40～6.20 m3/min，平均為4.91 m3/min；工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈階梯式下降，其中6月16日—8月7日，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)平均為0.65%，最高達(dá)0.79%，8月8日—9月6日，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)緩慢下降至0.39%～0.63%，平均為0.56%，9月7日—9月22日，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)明顯下降，在0.30%～0.52%之間波動，平均為0.42%。

圖7 聯(lián)合抽采瓦斯純量與上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.7 Variation curves of combined gas drainage pure volume and gas volume fraction at upper corner

4 結(jié)語

單一采取插(埋)管或高位定向鉆孔抽采瓦斯，不能有效降低高強(qiáng)度開采綜放工作面上隅角瓦斯?jié)舛取＠蒙嫌缃遣?埋)管和高位定向鉆孔對高強(qiáng)度開采綜放工作面上隅角瓦斯進(jìn)行聯(lián)合抽采，工作面最大抽采純量達(dá)6.20 m3/min，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低至0.30%～0.52%，有效解決了上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。