于艷飛 高建峰

（1.朔州市應(yīng)急指揮中心，山西 朔州 036000；2.朔州市應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊(duì)，山西 朔州 036000）

1 工程概況

新村煤礦礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，主采3號(hào)煤層和8號(hào)煤層。其中3號(hào)煤層平均厚度6.18 m，8號(hào)煤層平均厚度3.25 m，煤層整體為傾斜～緩傾斜煤層，開(kāi)采標(biāo)高為+618～ +219 m。礦井首采區(qū)煤層為3號(hào)煤層，工作面采用綜采大采高一次采全高采煤工藝，工作面切巷長(zhǎng)180 m，采用U型通風(fēng)方式，2103瓦斯治理巷采用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，通風(fēng)方式如圖1所示。在開(kāi)采3號(hào)煤層期間，經(jīng)測(cè)定礦井絕對(duì)瓦斯涌出量最大值為76.26 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量最大值為31.28 m3/t，屬于高瓦斯礦井。

圖1 2103工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

2 煤層瓦斯含量分布規(guī)律分析

根據(jù)對(duì)3號(hào)煤層選取不同的地點(diǎn)采取的煤樣氣體組成成分及瓦斯含量進(jìn)行取樣測(cè)試，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤層氣體相關(guān)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

根據(jù)對(duì)表1中3號(hào)煤層瓦斯含量取樣測(cè)定結(jié)果數(shù)據(jù)及校正后的地勘鉆孔煤層瓦斯含量數(shù)據(jù)分析，得出煤層瓦斯含量大小與煤層埋深之間有直接關(guān)系，兩者之間關(guān)系圖如圖2。

圖2 煤層瓦斯含量與煤層埋深之間關(guān)系散點(diǎn)圖

通過(guò)對(duì)圖2進(jìn)行分析可知，煤層埋深越大，煤層中瓦斯含量越高，兩者之間存在線性變化關(guān)系，可用下述公式表示：

W=0.024H+1.298 5 （1）

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋深，m。

式（1）中煤層瓦斯含量與埋深的相關(guān)系數(shù)為R2=0.879 8。根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告可知，3號(hào)煤層的最大埋藏深度為469 m，根據(jù)式（1）計(jì)算可得，3號(hào)煤層最大瓦斯含量值為12.55 m3/t。

3 3號(hào)煤層瓦斯抽采可行性分析

分析煤層瓦斯抽采的可行性，即是對(duì)煤層在原始透氣性狀態(tài)下，分析其在采取瓦斯預(yù)抽措施時(shí)抽采瓦斯的難易程度[1-2]。采用的主要分析方法是利用煤層的透氣性系數(shù)（λ）和鉆孔內(nèi)抽采瓦斯流量的衰減系數(shù)（α）來(lái)進(jìn)行分析衡量。

3.1 鉆孔內(nèi)瓦斯自然涌出特性

鉆孔內(nèi)的瓦斯自然涌出特性可以采用鉆孔內(nèi)的瓦斯在初始狀態(tài)下涌出強(qiáng)度q0和瓦斯抽采流量衰減系數(shù)來(lái)進(jìn)行衡量[1-4]。在不同抽采時(shí)間條件下對(duì)鉆孔內(nèi)瓦斯涌出量大小進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，利用式（2）進(jìn)行線性回歸計(jì)算，得出結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鉆孔內(nèi)瓦斯自然涌出特征測(cè)定計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

式中：qt為鉆孔內(nèi)瓦斯自然涌出時(shí)在時(shí)間t內(nèi)瓦斯流量值，m3/min；q0為鉆孔內(nèi)瓦斯自然涌出時(shí)在時(shí)間t=0時(shí)瓦斯流量，m3/min；α為瓦斯抽采流量衰減系數(shù)，d-1；t為鉆孔內(nèi)瓦斯在自然狀態(tài)下排出的時(shí)間，d。

采用微積分的方法對(duì)式（3）兩邊同時(shí)積分可以得出鉆孔內(nèi)的瓦斯在任意自然排放時(shí)間內(nèi)排出的瓦斯量：

即：

3.2 煤層抽采可行性分析

根據(jù)對(duì)3號(hào)煤層鉆孔內(nèi)瓦斯涌出流量衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)定計(jì)算分析可知，3號(hào)煤層內(nèi)的瓦斯屬于可預(yù)抽瓦斯的煤層。根據(jù)對(duì)3號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，3號(hào)煤層I區(qū)內(nèi)的工作面在回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量約為31.02 m3/min。根據(jù)對(duì)周邊礦井3號(hào)煤層工作面開(kāi)采時(shí)瓦斯抽采難易程度進(jìn)行對(duì)比分析得知，在開(kāi)采3號(hào)煤層時(shí)，工作面僅靠本煤層預(yù)抽瓦斯不能夠完全解決工作面回采期間瓦斯絕對(duì)涌出量超限問(wèn)題，需在回采期間同時(shí)采取瓦斯治理措施，確保工作面安全回采。

4 以孔代巷抽采工作面瓦斯技術(shù)

為有效解決工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯集中涌出量大，治理難度大問(wèn)題，在鄰近2103綜采工作面的瓦斯治理巷內(nèi)向2103工作面回風(fēng)巷內(nèi)每間隔一定距離施工一個(gè)大直徑抽采鉆孔，并在抽采鉆孔內(nèi)安裝抽采管路，將其接入到工作面瓦斯抽采系統(tǒng)上，在2103工作面回采過(guò)程中到鉆孔進(jìn)入到上隅角采空區(qū)內(nèi)后打開(kāi)閥門(mén)對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，通過(guò)改變工作面上隅角采空區(qū)內(nèi)瓦斯流場(chǎng)，對(duì)工作面上隅角內(nèi)的瓦斯真正實(shí)現(xiàn)低負(fù)壓、大流量抽采，減少上隅角瓦斯積聚，確保工作面安全回采。

4.1 抽采裝備配備

施工抽采鉆孔的鉆機(jī)選用中煤科工研發(fā)的ZDY12000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，鉆機(jī)作業(yè)運(yùn)行時(shí)利用液壓油缸旋轉(zhuǎn)推動(dòng)鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)施工大直徑抽采鉆孔。當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)施工完成后，再利用鉆機(jī)向鉆孔內(nèi)下護(hù)孔套管，然后對(duì)鉆孔進(jìn)行注漿封孔和聯(lián)管抽放，完成鉆孔抽采作業(yè)的整個(gè)工序。鉆孔直徑為280～880 mm，鉆孔深度最大為100 m。鉆桿鉆頭對(duì)接采用自動(dòng)對(duì)接技術(shù)，鉆機(jī)移動(dòng)時(shí)采用履帶進(jìn)行自動(dòng)挪移，減少人工搬遷，移動(dòng)靈活，施工作業(yè)效率高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度低。

4.2 工作面以孔代巷施工方案

在2103工作面瓦斯治理巷設(shè)計(jì)施工大直徑抽采鉆孔對(duì)2103工作面煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。結(jié)合本礦井原3號(hào)煤層已回采工作面頂板來(lái)壓情況分析，預(yù)測(cè)2103工作面頂板初次來(lái)壓步距為50 m，為此，將1#鉆孔設(shè)計(jì)布置在距工作面切眼50 m位置，每2個(gè)鉆孔為1組，2個(gè)鉆孔之間的間距為5 m，每組相鄰鉆孔之間的間距為30 m，鉆孔開(kāi)孔位置距底板高度為1 m，鉆孔直徑為580 mm，垂直于2103工作面回風(fēng)巷煤壁施工，仰角0°，鉆孔深度為20 m。鉆孔布置如圖3。

圖3 2103工作面大直徑抽采鉆孔布置示意圖

鉆孔施工到設(shè)計(jì)深度位置后將鉆桿退出，在護(hù)孔管的第一節(jié)上安裝一個(gè)護(hù)管尖頭，將護(hù)孔管下入到鉆孔內(nèi)進(jìn)行護(hù)孔，護(hù)孔管之間采用插接的方式進(jìn)行連接，連接后使用螺栓進(jìn)行固定防脫落。護(hù)孔管選用螺旋焊縫鋼管材料加工，管徑為458 mm，每根護(hù)孔管長(zhǎng)0.8 m，鋼管壁厚7 mm。向鉆孔內(nèi)下護(hù)孔管時(shí)，利用鉆機(jī)自身配備的吊裝裝置將第一節(jié)護(hù)孔管沿鉆孔施工方向緩慢推進(jìn)鉆孔內(nèi)，根據(jù)鉆孔施工角度調(diào)整護(hù)孔管進(jìn)入鉆孔內(nèi)的角度，保證護(hù)孔管與鉆孔始終處于同一直線方向。當(dāng)護(hù)孔管安裝完成后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔，封孔作業(yè)結(jié)束后將護(hù)孔管與巷道內(nèi)安裝的抽采管路連接好后，利用抽采系統(tǒng)對(duì)煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采。抽采系統(tǒng)配備的主要附屬裝置還有瓦斯抽采濃度計(jì)量裝置、放水器和排碴器等。

5 應(yīng)用效果分析

礦井安裝的低負(fù)壓抽放泵站在正常工作時(shí)抽放總流量約為854 m3/min，工作面上隅角低負(fù)壓抽放流量約為110 m3/min。為提高工作面大直徑鉆孔抽采瓦斯流量，保證瓦斯抽采效果，在對(duì)工作面采取大直徑鉆孔抽采瓦斯措施時(shí)，需將工作面上隅角埋管抽放管路進(jìn)行關(guān)閉。

5.1 大直徑鉆孔瓦斯抽采濃度分析

為了檢測(cè)大直徑鉆孔抽采瓦斯效果，在2103工作面瓦斯治理巷布置的抽采鉆孔中隨機(jī)選取5組鉆孔進(jìn)行檢驗(yàn)，在工作面回采期間，每推進(jìn)5 m對(duì)抽采管路中的抽采瓦斯的流量、濃度進(jìn)行測(cè)量記錄，將數(shù)據(jù)整理后繪制出如圖4所示瓦斯?jié)舛茸兓€圖。

圖4 2103工作面大直徑抽采鉆孔瓦斯抽采濃度變化情況

根據(jù)圖4分析可知，大直徑抽采鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛入S著工作面與抽采鉆孔距離增大呈逐漸增大趨勢(shì)，但當(dāng)新鉆孔開(kāi)啟后需占用一部分抽采負(fù)壓，其后方抽采鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)下降趨勢(shì)，且后方的抽采鉆孔抽采的瓦斯流量也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽采數(shù)據(jù)分析得知，當(dāng)工作面與抽采鉆孔之間相距20 m時(shí)，瓦斯抽采濃度達(dá)到最大值。新開(kāi)鉆孔與其后方老鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛染_(dá)到2%以上，新鉆孔開(kāi)啟后，其后方的鉆孔抽放的瓦斯大部分來(lái)自工作面現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯。因此，為提高瓦斯抽采效果，新鉆孔開(kāi)啟后，及時(shí)將后方的鉆孔關(guān)閉，保證新鉆孔的抽采負(fù)壓達(dá)到抽采要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面上隅角瓦斯的有效抽放。

5.2 大直徑鉆孔抽采與瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系分析

工作面采用大直徑鉆孔抽采措施后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r與抽采鉆孔進(jìn)入工作面采空區(qū)內(nèi)距離進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，得到結(jié)果如圖5。

圖5 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓c鉆孔抽采距離關(guān)系

由圖5中分析可知，工作面上隅角的瓦斯?jié)舛入S著大直徑鉆孔位置進(jìn)入工作面采空區(qū)內(nèi)的距離增大而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，在工作面位置與抽采鉆孔之間的距離由20 m增大到30 m時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛仍龇顬轱@著。將新鉆孔開(kāi)啟抽采瓦斯后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)大幅度減小現(xiàn)象，隨著鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)的距離增大，上隅角內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，它們之間變化關(guān)系存在著周期性變化規(guī)律。在采取大直徑鉆孔抽采工作面煤層瓦斯措施后，工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛纫恢碧幱?.15%～0.65%之間，工作面回風(fēng)瓦斯一直處于0.1%～0.75%之間，瓦斯?jié)舛茸畲笾狄话愠霈F(xiàn)在新舊鉆孔開(kāi)啟和關(guān)閉相互交替期間，工作面上隅角及回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍诳刂品秶畠?nèi)，工作面回采期間未發(fā)生過(guò)瓦斯超限事故。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）綜合考慮大直徑鉆孔瓦斯抽采效果、鉆孔施工成本、礦井采掘接續(xù)情況，工作面每組相鄰大直徑抽采鉆孔布置間距設(shè)計(jì)為30 m為宜。該間距不僅能夠保證工作面瓦斯抽采效果，而且有利于鉆孔的施工，減少施工成本，提高施工進(jìn)度，保證礦井采掘接續(xù)正常。

（2）工作面切巷位置與抽采鉆孔之間的距離保持在20 m左右抽采效果好，在開(kāi)啟新鉆孔后，要及時(shí)將其后方的鉆孔關(guān)閉，以確保新鉆孔抽采效果。

（3）工作面采取大直徑鉆孔抽采工作面上隅角采空區(qū)瓦斯技術(shù)后，新舊鉆孔內(nèi)瓦斯抽采濃度均能達(dá)到2%以上，工作面達(dá)到了大流量、低負(fù)壓抽采效果，工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.15%～0.65%，回風(fēng)瓦斯控制在0.1%～0.75%，回采期間未發(fā)生過(guò)瓦斯超限事故，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效開(kāi)采。