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。通過前期對東大煤礦的地質(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t時，礦井相對瓦斯涌出量為29.1 m3/t，絕對瓦斯涌出量為306.4 m3/min，其中回采工作面絕對瓦斯涌出量為202.3 m3/min，掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量為33.4 m3/min，采空區(qū)絕對瓦斯涌出量為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，屬于突出危險工作面。

東大煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)由8臺2BEC120型瓦斯抽采泵組成，其中6臺服務(wù)本煤層和穿層鉆孔預(yù)抽，3用3備，2臺服務(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)瓦斯加強抽采的綜合瓦斯抽采方法。通過井上井下聯(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，回采工作面瓦斯?jié)舛热菀壮?。采空區(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，通過高位抽放可以有效地解決工作面上隅角瓦斯超限的問題。采用合理的鉆孔設(shè)計參數(shù)，可以最大程度地提高瓦斯抽放量，對采空區(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

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)上覆巖層向下移動首先形成冒落帶，瓦斯賦存在冒落巖層的裂隙中，通過布置高位鉆孔可以將裂隙中的瓦斯抽放出來。隨著工作面的推進(jìn)，在采空區(qū)會形成冒落拱，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)計算

（1）鉆孔有效高度計算

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)驗法計算鉆孔有效高度。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）計算冒落帶高度為9.9～14.3 m。

裂隙帶高度根據(jù)公式（2）計算得到：

式中：Hl為裂隙帶高度，m。

通過公式（2）計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，具體計算公式如式（3）：

式中：N為鉆孔數(shù)量，個；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）計算得到鉆孔數(shù)量約為5.79個，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)計為8個。

（3）鉆孔封孔深度

根據(jù)經(jīng)驗及現(xiàn)場實踐應(yīng)用，高位鉆孔封孔深度取8 m。同一鉆場各鉆孔的封孔深度應(yīng)保持一致。

（4）鉆場布置間距

為了能夠有效地抽采出采空區(qū)內(nèi)瓦斯，鉆場布置間距應(yīng)保證每個鉆孔終孔位置在前一個鉆孔的有效長度范圍內(nèi)。鉆場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。

鉆孔的有效長度根據(jù)公式（5）計算得到。

式中：L有效為鉆孔有效長度，m；L孔為鉆孔實際長度，m。

根據(jù)公式（6）確定鉆場間距。

式中：L間距為鉆場間距，m；α為鉆孔仰角，（°）。

通過計算結(jié)合現(xiàn)場施工情況，鉆場合理布置間距取60 m。

3 工業(yè)性試驗

3.1 高位鉆孔施工參數(shù)

以東大煤礦14151工作面為研究對象。工作面采用U型通風(fēng)方式，即工作面一側(cè)布置運輸巷為進(jìn)風(fēng)巷，另一側(cè)布置回風(fēng)巷進(jìn)行回風(fēng)。同時在回采過程中及時密封采空區(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。鉆場間距60 m，每個鉆場布置8個鉆孔，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。以第四鉆場為監(jiān)測對象，安裝4組孔板流量計，監(jiān)測鉆場瓦斯混合流量以及瓦斯?jié)舛?。第四鉆場的詳細(xì)鉆孔參數(shù)見表1。

表1 第四鉆場高位鉆孔參數(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

對第四鉆場鉆孔抽采瓦斯?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號孔在46～120 m范圍抽放瓦斯效果顯著，2號鉆孔在46～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，3號孔在90～130 m范圍抽放瓦斯效果顯著，4號孔在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

（1）采空區(qū)瓦斯是回采工作面瓦斯的主要來源，采用高位鉆孔可以對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行有效抽放，采用合理的鉆孔設(shè)計參數(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14151工作面采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行設(shè)計，合理設(shè)計鉆孔參數(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，每個鉆場布置8個抽采鉆孔，鉆場間距取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。