馬騰輝

（山西潞安集團(tuán)高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

高河能源是潞安集團(tuán)下屬的煤礦之一，該礦井下綜采面煤層平均厚度約為5.12 m，在煤層上部含有2 層夾石，煤層平均傾角約為12.1°。巷道頂板為泥巖，平均厚度為2.86 m，巷道底板為細(xì)沙巖結(jié)構(gòu)，平均厚度約為1.11 m。整個(gè)綜采面包括一個(gè)正巷和一個(gè)副巷，基本走向長(zhǎng)度為1147 m，綜采工作面的長(zhǎng)度為239 m，采用了全部垮落的機(jī)械化采煤工藝，采高約為3.6 m。井下通風(fēng)系統(tǒng)采用了U 型截割，綜采面配風(fēng)為1314 m3/min。該煤礦屬于高瓦斯礦井且井下綜采面頂板處含有大量的裂隙帶，瓦斯涌出量約為32 m3/min，在掘進(jìn)作業(yè)過程中極易出現(xiàn)瓦斯突出，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來了嚴(yán)重的隱患。因此本文結(jié)合高河能源煤礦井下的實(shí)際地質(zhì)情況，提出了綜采面頂板裂隙帶鉆孔瓦斯抽采治理方案，以高位鉆孔抽采及主動(dòng)頂板裂隙鉆孔抽采為核心，有效地降低了煤礦井下瓦斯突出的概率，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。

1 采動(dòng)裂隙帶瓦斯抽采方案

采動(dòng)裂隙帶瓦斯抽采方案主要包括了高抽巷抽采技術(shù)方案和高位鉆孔抽采瓦斯方案[1]，各技術(shù)方案的特點(diǎn)和應(yīng)用情況匯總?cè)缦隆?/p>

綜采面頂板走向高抽巷抽采技術(shù)方案主要是指沿著綜采面頂板裂隙帶設(shè)置一個(gè)抽采巷道，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂隙帶位置瓦斯的抽采。該技術(shù)方案的抽采效果主要取決于巷道的布置層位、抽采負(fù)壓、綜采面超過瓦斯抽采巷道端部的長(zhǎng)度等。通常情況下為了獲取最優(yōu)的抽采效果，抽采巷道布置時(shí)一般設(shè)置到裂隙帶和巷道頂板6 倍采高距離的位置，抽采負(fù)壓設(shè)置為18～19 kPa。高河能源井下裂隙帶和巷道頂板距離約為采高的1 倍而且抽采負(fù)壓較小，因此無法滿足高抽巷抽采的基本需求。走向高抽巷抽采方案如圖1 所示。

高位鉆孔抽采技術(shù)指在鉆場(chǎng)或者采空區(qū)域頂板上采用非定向鉆機(jī)進(jìn)行斜向鉆進(jìn)抽采，該抽采方案工藝流程簡(jiǎn)單，施工周期短，抽采效果好，比較適合高河能源井下實(shí)際情況。為了提高鉆孔抽采頂板裂隙帶瓦斯的效果，技改小組在經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證后提出了利用留巷鉆孔來替代專門的抽采瓦斯孔，利用留巷鉆孔接近于頂板裂隙帶的特點(diǎn)既減少了鉆孔時(shí)的工作量而且還能夠?qū)崿F(xiàn)綜采面綜采和瓦斯抽采的同步進(jìn)行。

圖1 煤礦井下貫通測(cè)量路徑示意圖

該抽采技術(shù)方案的核心在于抽采時(shí)留巷鉆孔布置數(shù)量、鉆孔長(zhǎng)度和鉆孔的直徑等，結(jié)合高河能源井下瓦斯涌出量大的情況，在采用高位鉆孔抽采技術(shù)方案時(shí)，鉆孔采用了三花眼的布置結(jié)構(gòu)，在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)置8 個(gè)左右的鉆孔，每個(gè)鉆孔的直徑應(yīng)為70 mm，孔深為90 m。鉆孔要與裂隙帶呈現(xiàn)約55°的傾角，滿足不同層間裂隙帶瓦斯的抽采需求。該抽采技術(shù)方案如圖2 所示[2]。

圖2 高位鉆孔抽采技術(shù)方案結(jié)構(gòu)示意圖

2 主動(dòng)裂隙鉆孔抽采

根據(jù)潞安集團(tuán)高河能源煤礦井下綜采面的實(shí)際地質(zhì)情況，在高位鉆孔抽采的基礎(chǔ)上再增加主動(dòng)裂隙鉆孔抽采。鉆孔的鉆孔直徑設(shè)置為75 mm，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)置9 個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度為95 m，各個(gè)鉆場(chǎng)之間的距離設(shè)置為60 m，與巷道頂板的傾角設(shè)置為45°。

瓦斯抽采主管的直徑設(shè)置為350 mm，沿著井下綜采面的回風(fēng)巷布置，管路的總長(zhǎng)度約為5500 mm。瓦斯抽采管路根據(jù)布置區(qū)域的不同，分別采用了焊接鋼管和抗腐蝕的無縫鋼管，風(fēng)巷預(yù)埋管采用焊接鋼管，其他位置的管道均采用具有抗腐蝕性能的無縫鋼管。管道內(nèi)的最大混合瓦斯流量可表示為[3]：

式中：

D-瓦斯抽采管道內(nèi)徑，mm；

Q-管道內(nèi)的最大瓦斯流量，m3/min；

V-瓦斯在管內(nèi)的平均流速，取13.5 m/s。

經(jīng)過計(jì)算該抽采主管道的最大抽采能量約為77.9 m3/min，按瓦斯抽采濃度為60%計(jì)算，其能夠滿足的瓦斯最大抽采量為46.7 m3/min，大于瓦斯最大涌出量32 m3/min，因此所選擇的管道滿足井下瓦斯抽采需求。

3 瓦斯鉆孔封孔

為了確保鉆孔處的封孔效果，采用了機(jī)械封孔工藝[4]，采用的封孔設(shè)備型號(hào)為KF-B 型封孔泵。系統(tǒng)內(nèi)共設(shè)置了4 套系統(tǒng)，3 套為正常使用，1 套為備用設(shè)備，滿足特殊情況下的封孔需求。封孔位置的管路采用了PVC 管路，在抽采管內(nèi)設(shè)置15 個(gè)直徑為10 mm 的內(nèi)控，采用雙層金屬網(wǎng)線捆扎，封孔的長(zhǎng)度不小于7 m，封孔后外側(cè)采用硅酸鹽水泥進(jìn)行二次密封，當(dāng)封孔的位置處在巖層內(nèi)時(shí)，封孔的長(zhǎng)度應(yīng)不小于5 m。

其封孔的工藝流程可表示為，當(dāng)鉆孔快要完成時(shí)，同步準(zhǔn)備封孔用的水泥砂漿，水泥砂漿需要按比例加入膨脹劑，確保在封堵后的凝固過程中不會(huì)出現(xiàn)開裂。水泥砂漿內(nèi)膨脹劑的比例需要根據(jù)鉆孔的傾角來確定，傾角越小膨脹劑的比例需要越大，同時(shí)其封孔的長(zhǎng)度就要越大。瓦斯鉆孔封孔的鏈接結(jié)構(gòu)如圖3 所示[5]。

圖3 高位鉆孔抽采技術(shù)方案結(jié)構(gòu)示意圖

為了確保瓦斯抽采過程中的穩(wěn)定性，在抽采管路系統(tǒng)的下側(cè)設(shè)置了2 組放水器，能夠?qū)⒐苈烦椴蛇^程中產(chǎn)生的積水及時(shí)排出，避免積水過多時(shí)產(chǎn)生的“喘振”。該抽采系統(tǒng)管路布置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

在抽采過程中，放水器應(yīng)該設(shè)置到抽采管道的最低點(diǎn)，在管路積水位置設(shè)置一個(gè)放水口，根據(jù)所用的放水器結(jié)構(gòu)，需要保證抽采管道和巷道底板的距離不低于400 mm。放水器的進(jìn)水管應(yīng)采用不銹鋼管道，系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓平衡管應(yīng)能夠承受一定的負(fù)壓且直徑不低于20 mm，避免出現(xiàn)管路堵塞。系統(tǒng)設(shè)置完成后將抽采管路和負(fù)壓平衡接口連通即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽采、排水。

圖4 抽采系統(tǒng)管路布置結(jié)構(gòu)示意圖

自該煤礦井下綜采面頂板裂隙帶鉆孔瓦斯抽采治理方案投入使用后，井下綜采范圍內(nèi)頂板裂隙內(nèi)的瓦斯涌出量迅速下降，由最初的32 m3/min 降低到了目前的3.96 m3/min，降幅達(dá)到了87.6%，顯著地提升了高河能源井下綜采作業(yè)的安全性。

4 結(jié)論

針對(duì)潞安集團(tuán)高河能源煤礦井下綜采面頂板處含有大量的裂隙帶，在綜采作業(yè)過程中極易出現(xiàn)瓦斯突出的現(xiàn)狀，提出了高位鉆孔抽采技術(shù)方案，對(duì)該方案下的管路選擇、管路封孔技術(shù)要點(diǎn)等進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）高位鉆孔抽采技術(shù)方案，是指在鉆場(chǎng)或者采空區(qū)域頂板上采用非定向鉆機(jī)進(jìn)行斜向鉆進(jìn)抽采，該方案工藝流程簡(jiǎn)單，施工周期短，抽采效果好；

（2）主動(dòng)裂隙鉆孔抽采時(shí)鉆孔的直徑設(shè)置為75 mm，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)置9 個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度為95 m，各個(gè)鉆場(chǎng)之間的距離設(shè)置為60 m，與巷道頂板的傾角設(shè)置為45°，滿足井下瓦斯抽采需求；

（3）該方案應(yīng)用以來，井下瓦斯涌出量由最初的32 m3/min 降低到了目前的3.96 m3/min，降幅達(dá)到了87.6%，顯著提升了高河能源井下綜采作業(yè)的安全性。