冀超輝，崔洪慶

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；3.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地)，河南 焦作 454000；4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；5.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

特厚急傾斜煤層是指開采分層厚度在20 m以上，煤層傾角為45°以上的煤層。水平分層開采過程中，下部煤體將受上分層采動(dòng)的影響而產(chǎn)生卸壓，使得下部一定范圍內(nèi)的煤體卸壓瓦斯進(jìn)入采掘空間，并使采空區(qū)周圍的煤巖體應(yīng)力改變，采空區(qū)上方煤巖體垮落，頂、底板應(yīng)力發(fā)生改變，采動(dòng)裂隙場的分布、發(fā)育為瓦斯泄漏提供了直接通道，導(dǎo)致特厚急傾斜煤層礦井瓦斯災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]。水平分層綜采放頂煤技術(shù)能夠高效地實(shí)現(xiàn)特厚急傾斜煤層礦井的安全生產(chǎn)[2-3]

特厚急傾斜煤層的水平分段開采工作面中瓦斯災(zāi)害事故頻發(fā)，瓦斯抽采是防范瓦斯事故的重要手段，可從根源上降低煤層中的瓦斯含量及其壓力，降低煤層瓦斯涌出量，從而實(shí)現(xiàn)“治本”目的，減少瓦斯災(zāi)害的發(fā)生[1-5]。

烏東煤礦主要開采45#煤層和43#煤層，平均煤層傾角45°，45#煤層平均厚度為27.14 m，43#煤層平均厚度為27.88 m，礦井相對瓦斯涌出量為 4.12 m3/t，絕對瓦斯涌出量為34.17 m3/min，為特厚急傾斜煤層高瓦斯礦井。為了實(shí)現(xiàn)特厚急傾斜煤層瓦斯災(zāi)害的高效治理，保障礦井安全生產(chǎn)，筆者研究并提出烏東煤礦瓦斯抽采體系，分析鉆孔抽采效果影響因素及應(yīng)對措施，旨在為特厚急傾斜煤層瓦斯治理提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采理論

1.1 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采體系

在急傾斜煤層水平分層開采過程中，為了有效降低煤層瓦斯涌出量，采用預(yù)抽鉆孔抽采煤層瓦斯，在滿足抽采指標(biāo)之后方可進(jìn)行煤體開采[5]。在井下開采過程中，通常會(huì)利用采空區(qū)埋管抽采和頂板走向高位鉆孔抽采技術(shù)，以解決工作面瓦斯超限問題。受到上部煤體開采影響，下部一定范圍內(nèi)煤體發(fā)生變形、卸壓，煤體透氣性提高，有利于下部煤體高壓瓦斯流動(dòng)，同時(shí)卸壓瓦斯經(jīng)過采動(dòng)裂隙流入采空區(qū)會(huì)加劇瓦斯聚積區(qū)域的瓦斯超限問題[6]。因此，為了防止卸壓瓦斯流向工作面空間，可采取下部煤體的卸壓瓦斯抽采技術(shù)，降低下部煤體中的瓦斯含量及其壓力，為后續(xù)的采掘接替節(jié)約時(shí)間，從而提高礦井的開采效益，實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采[7]。針對烏東煤礦特厚急傾斜煤層所提出的瓦斯抽采成套技術(shù)體系如圖1所示。

圖1 烏東煤礦瓦斯抽采成套技術(shù)體系

在瓦斯治理、瓦斯抽采中，應(yīng)該根據(jù)瓦斯涌出來源選用合適的瓦斯治理措施進(jìn)行治理[8-11]。烏東煤礦工作面涌出的瓦斯主要來源于開采本分層和下部煤體，其涌出量占到全部涌出量的95%以上。對于烏東煤礦瓦斯治理，建立了以煤層瓦斯預(yù)抽、卸壓瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采措施為核心的立體化瓦斯抽采成套技術(shù)體系，如圖2所示。鉆孔布置如圖3所示。

圖2 特厚急傾斜煤層開采瓦斯抽采成套技術(shù)體系

圖3 抽采鉆孔布置示意圖

1.2 瓦斯抽采效果的影響因素

瓦斯抽采需先在井下進(jìn)行鉆孔，瓦斯在鉆孔中的流動(dòng)可近似簡化為在徑向流動(dòng)和單向流動(dòng)兩種[12]。

其中，徑向流動(dòng)的單位面積瓦斯涌出量方程式如下：

(1)

式中：q為單位面積瓦斯涌出量，m3/(m2·d)；λ為煤層透氣性系數(shù)，m2/(MPa2·d)；R1為鉆孔半徑，m；R0為鉆孔瓦斯源半徑，m；p0為煤層中原始瓦斯壓力，MPa；p1為鉆孔中的瓦斯壓力，MPa。

從式(1)可以看出：鉆孔瓦斯涌出量與煤體透氣性系數(shù)及瓦斯壓力的平方差均成正比，與鉆孔半徑的對數(shù)成反比?？偨Y(jié)出以下幾種能夠有效地提高鉆孔的瓦斯抽采效果的辦法。

1.2.1 增加鉆孔暴露煤壁面積

在鉆孔抽采負(fù)壓、煤層透氣性系數(shù)及鉆孔瓦斯涌出速度不變或變化不明顯時(shí)，增加鉆孔暴露煤壁的面積是提高順層長鉆孔預(yù)抽效果的有效方法[13]。具體可以通過改進(jìn)鉆孔及布孔參數(shù)實(shí)現(xiàn)，包括增大鉆孔直徑、增加鉆孔長度及增大鉆孔密度。

1)增大鉆孔直徑

由式(1)可知，當(dāng)其他參數(shù)不變，鉆孔瓦斯源半徑R0=10 m時(shí)，若鉆孔半徑R1=0.1 m變?yōu)樵瓉淼?0倍，則鉆孔瓦斯抽采流量會(huì)變?yōu)樵瓉淼?倍：

(2)

由式(2)看出，當(dāng)鉆孔直徑變?yōu)樵瓉淼?0倍時(shí)，鉆孔瓦斯抽采量僅增大1倍。因此，在鉆孔直徑自身比較大的情況下，即使增大鉆孔直徑，對鉆孔瓦斯抽采量的提升也并不顯著；在一定范圍內(nèi)，盡管隨著抽采鉆孔孔徑的增大，瓦斯抽采量會(huì)有所增加，但是當(dāng)煤層鉆孔直徑很大時(shí)，打鉆施工會(huì)變得非常困難，鉆機(jī)鉆進(jìn)的負(fù)荷亦會(huì)增加得十分迅速。

2)增大鉆孔密度

合理的鉆孔間距，能夠?qū)崿F(xiàn)瓦斯抽采量及抽采效果的提升。增大鉆孔密度即是縮小鉆孔間距，使得鉆孔瓦斯流動(dòng)場控制范圍R減小。在一定時(shí)間內(nèi)，特定煤層特定孔徑的鉆孔均有其控制的瓦斯流動(dòng)場范圍，因此為了提高瓦斯抽采效果，可以增大鉆孔密度，然而，當(dāng)鉆孔密度達(dá)到足夠大時(shí)，會(huì)對煤層產(chǎn)生相應(yīng)的卸壓作用。應(yīng)根據(jù)由開采煤層所要求達(dá)到的抽采率、采場接替的允許抽采時(shí)間、在抽采時(shí)間內(nèi)鉆孔能達(dá)到的瓦斯流動(dòng)場范圍等，來確定鉆孔密度，以達(dá)到最佳的抽采效果及最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。不同鉆孔間距的瓦斯流動(dòng)效果如圖4所示。

(a)—鉆孔間距太大；(b)—鉆孔間距太小；(c)—最佳鉆孔間距。

3)增加鉆孔長度

若鉆孔深度增大，鉆孔壁暴露面積就會(huì)增加，煤層中瓦斯更易涌入鉆孔，從而單孔瓦斯抽采量會(huì)有所增加，能夠有效地提高順層鉆孔的瓦斯抽采效果。在巷道掘進(jìn)預(yù)抽中還可減少超前距離內(nèi)無效鉆孔的數(shù)量，提高鉆孔的抽采效率和巷道掘進(jìn)速度。受到煤層賦存，以及施工裝備和施工技術(shù)的影響，順層鉆孔長度的增加是有限的，因而在一定程度上，增加鉆孔長度對瓦斯抽采量的提升也是有限的。但是，若現(xiàn)場條件具備時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量布置長鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采。

1.2.2 改進(jìn)抽采工藝

提升封孔質(zhì)量和抽采負(fù)壓是提高鉆孔預(yù)抽效果的有效途徑[14]。封孔質(zhì)量是影響順層鉆孔抽采效果的重要因素，為提高封孔質(zhì)量，可以采用黃泥—水泥砂漿封孔，也可以采用機(jī)械注漿封孔，同時(shí)增大封孔長度。

通過適當(dāng)提高鉆孔抽采負(fù)壓，可以保證較高的封孔質(zhì)量，提高瓦斯抽采效果。煤體受到抽采負(fù)壓的影響后會(huì)釋放瓦斯，進(jìn)而出現(xiàn)收縮變形的現(xiàn)象。煤體收縮過程會(huì)致使煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，從而改變煤的透氣性，達(dá)到提高煤層瓦斯抽采的效果。不同的煤層有不同的最佳抽采負(fù)壓值，長時(shí)間進(jìn)行瓦斯抽采，負(fù)壓過大會(huì)增加巷道空氣的漏入量，且瓦斯抽采泵提高抽采負(fù)壓的能力有限。這是因?yàn)槠涫艿焦苈妨严对鲩L，以及鉆孔密封效果降低等因素的影響。因此，設(shè)置過高的抽采負(fù)壓是不合理的。對于未卸壓的煤層來說，為了實(shí)現(xiàn)較高的抽采效果，抽采負(fù)壓應(yīng)維持在26 kPa左右。

1)延長抽采時(shí)間

鉆孔瓦斯抽采時(shí)間與瓦斯涌出強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與瓦斯抽采總量呈正相關(guān)關(guān)系。由于抽采鉆孔的瓦斯流場為非穩(wěn)定流場，鉆孔的瓦斯抽采量不是無限增大的，而是存在一個(gè)極限的抽采量值，持續(xù)增加抽采時(shí)間其最大抽采量也不會(huì)增加。因此，合理地確定抽采時(shí)間既能得到相應(yīng)的抽采效果又可減少經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本。

確定工作面瓦斯抽采時(shí)間的方法主要有兩種：①以目前現(xiàn)有的瓦斯抽采參數(shù)為參考，根據(jù)需抽采的瓦斯總量計(jì)算抽采時(shí)間；②根據(jù)實(shí)際的百米鉆孔瓦斯抽采量，通過抽采量隨抽采時(shí)間的衰減計(jì)算抽采時(shí)間。

研究表明，抽采鉆孔的抽采流量與抽采時(shí)間符合負(fù)指數(shù)衰減規(guī)律，即滿足下式：

qt=q0e-αt

(3)

式中:qt為抽采時(shí)間t時(shí)的鉆孔瓦斯抽采流量，m3/min；q0為初始瓦斯抽采量，m3/min；α為衰減系數(shù)，d-1；t為抽采時(shí)間，d。

為獲得任意時(shí)間t內(nèi)鉆孔抽采瓦斯量，對式(3)進(jìn)行積分可得：

(4)

(5)

式中:Qt為抽采時(shí)間t時(shí)鉆孔自然瓦斯涌出總量,m3；QJ為鉆孔極限抽采瓦斯量，m3。

依據(jù)鉆孔瓦斯抽采衰減系數(shù)，可以確定合理的鉆孔瓦斯預(yù)抽采時(shí)間t。當(dāng)衰減系數(shù)增大到一定程度時(shí)，持續(xù)延長抽采時(shí)間并不能獲得更好的抽采效果。用瓦斯抽采有效性系數(shù)分段進(jìn)行表示合理抽采時(shí)間與衰減系數(shù)之間的關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

(6)

2)提高煤層的透氣性

煤層透氣性的改變會(huì)明顯地影響鉆孔預(yù)抽瓦斯總量，當(dāng)采取切實(shí)有效的技術(shù)手段來提高煤層的透氣性時(shí)，如煤層采動(dòng)影響造成的“卸壓增透”作用，可以顯著提升煤層瓦斯抽采效果。

綜合分析可知,確定合理的鉆孔布孔間距、鉆孔直徑、鉆孔有效長度、抽采負(fù)壓等工藝參數(shù)，適當(dāng)?shù)匮娱L鉆孔抽采時(shí)間，采取有效的方法提高煤層的透氣性，并確保鉆孔的封孔質(zhì)量及抽采管路的密封性，可以大幅提高煤層瓦斯抽采效果。

2 特厚急傾斜煤層瓦斯抽采技術(shù)

2.1 順層長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯

從抽采時(shí)間與采掘接替的關(guān)系中看出，可以通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)回采工作面的瓦斯治理：一是預(yù)抽煤層瓦斯；二是邊采邊抽煤層瓦斯[15]。區(qū)域瓦斯治理的主要措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯。進(jìn)行瓦斯治理時(shí)，預(yù)抽煤層瓦斯是十分重要且安全可靠的治理措施。然而，預(yù)抽煤層瓦斯需要較長的時(shí)間，其抽采效果的主要決定因素為煤體向鉆孔涌出瓦斯的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，而這兩個(gè)因素主要取決于煤層瓦斯壓力和透氣性[16-18]。因而通過減小煤層瓦斯壓力，提高煤層的透氣性可以提升煤層瓦斯抽采效果。順層長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯就是經(jīng)過一段時(shí)間的抽采，降低煤層的瓦斯壓力、含量，從而降低開采煤體的彈性能與煤體的應(yīng)力，相應(yīng)地使煤體透氣性提高，以促進(jìn)煤體瓦斯排放，提高瓦斯抽采效果。

2.2 頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采

利用綜采工作面回采動(dòng)壓形成的頂板裂隙通道來抽采采空區(qū)上方垮落帶頂部的高濃度瓦斯，以實(shí)現(xiàn)頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采。

頂板走向高位鉆孔抽采卸壓瓦斯的布孔方式是為了代替頂板走向瓦斯抽采專用巷道[19]，可適當(dāng)減少巖石巷道掘進(jìn)工程量，以降低成本。在煤層裂隙帶位置布置鉆孔，待工作面采至鉆孔位置，頂板發(fā)生垮落，采空區(qū)瓦斯在自身浮力作用下涌入裂隙帶，高位鉆孔方可進(jìn)行瓦斯抽采。準(zhǔn)確確定裂隙帶的分布情況是頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采的關(guān)鍵一步。若鉆孔位置過高則會(huì)導(dǎo)致瓦斯抽采量變小，抽采效果變差；若鉆孔位置過低則會(huì)造成相對較低的抽采瓦斯?jié)舛然蜚@孔易被巖體垮落切斷，亦不能達(dá)到良好的抽采效果。

2.3 采空區(qū)埋管瓦斯抽采

采空區(qū)埋管抽采瓦斯是在回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)一條與工作面采空區(qū)連通的瓦斯抽采管道，當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，抽采管道的一端逐漸埋入采空區(qū)，每隔一定距離設(shè)一個(gè)三通，并安裝閥門[20]。采空區(qū)埋管抽采主要目的是為了防止采空區(qū)瓦斯在回風(fēng)隅角附近區(qū)域積聚而導(dǎo)致瓦斯事故的發(fā)生。

2.4 卸壓瓦斯抽采

當(dāng)煤體不受采掘影響時(shí)會(huì)處于平衡狀態(tài)，開采活動(dòng)的進(jìn)行會(huì)破壞煤體中的平衡狀態(tài)，形成新的應(yīng)力平衡。急傾斜煤層水平分層開采工作面主要在工作面前方和工作面下部煤體一定范圍內(nèi)形成卸壓帶。卸壓區(qū)煤體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力降低、孔裂隙溝通，透氣性提高等現(xiàn)象；同時(shí)一定范圍內(nèi)，卸壓帶前方形成應(yīng)力增高帶，在應(yīng)力增高帶的煤體則出現(xiàn)應(yīng)力升高、孔裂隙閉合，透氣性降低；再往前則為未受采動(dòng)影響的原巖應(yīng)力帶，煤體物性參數(shù)基本不變，隨著工作面的推進(jìn)“三帶”不斷前移[21]。

卸壓帶內(nèi)的煤體裂隙發(fā)育，吸附瓦斯更易向游離瓦斯轉(zhuǎn)化，即在進(jìn)行卸壓瓦斯抽采時(shí)，鉆孔瓦斯抽采量必然出現(xiàn)升高現(xiàn)象，即“卸壓增流”現(xiàn)象[22]。通過在開采分層下部煤體布置抽采鉆孔，在卸壓帶形成后瓦斯解吸加快，能夠提高瓦斯抽采量及瓦斯?jié)舛龋瑥亩谝欢ǔ潭壬献柚归_采分層下部卸壓瓦斯大量涌向回采空間，防止瓦斯超限事故的發(fā)生。進(jìn)行下部煤體的卸壓瓦斯抽采，其抽采效果與煤層傾角、工作面長度、卸壓深度、煤層卸壓角等有關(guān)。

3 結(jié)語

1)建立了能夠應(yīng)用于烏東煤礦特厚急傾斜煤層的以順層長鉆孔煤層瓦斯預(yù)抽、頂板走向長鉆孔抽采、采空區(qū)埋管抽采和卸壓瓦斯抽采等措施為核心的立體化瓦斯抽采成套技術(shù)體系。

2)分析了鉆孔工藝參數(shù)對鉆孔瓦斯抽采效果的影響，并以此得出提升鉆孔瓦斯抽采效果的措施：確定合適的鉆孔布局、鉆孔直徑、鉆孔的有效長度及抽采負(fù)壓，適當(dāng)?shù)匮娱L鉆孔抽采時(shí)間，采取有效的方法提高煤層的透氣性，并確保鉆孔的封孔質(zhì)量及抽采管路的密封性。

3)分析了特厚急傾斜煤層瓦斯抽采技術(shù)措施的作用機(jī)制，為烏東煤礦煤與瓦斯共采技術(shù)體系的建立提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。