史亮亮

（晉能控股集團晉圣公司三溝鑫都煤業(yè)，山西 晉城 048006）

綜采工作面由于機械化程度高，在采動擾動誘發(fā)下，在較短的時間內(nèi)大量煤炭被破碎，煤炭在極短的生產(chǎn)時間內(nèi)被采出，周邊的地層被卸壓后，產(chǎn)生向采掘空間移動的變形，在地質(zhì)演化階段長期形成的動態(tài)應力平衡被打破，破碎煤層和圍巖中釋放的大量瓦斯會在短時間向采掘空間逸散，在工作面通風的作用下逐步向上隅角旋渦區(qū)積聚，這是造成綜采面上隅角極易出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象的主要原因[1-2]。為解決此類問題，普遍采用采空區(qū)埋管方法來解決，但采空區(qū)埋管影響區(qū)域有限，抽采效果較差，給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大隱患[3]。頂板高位鉆孔是解決綜采面采空區(qū)瓦斯的有效手段，但如何提高采空區(qū)封閉區(qū)和頂板裂隙帶瓦斯是采空區(qū)瓦斯治理的關鍵[4-5]。

頂板高位鉆孔是解決綜采面生產(chǎn)期間瓦斯大量涌出的主要方法之一，趙建國[6]等分析了頂板高位定向鉆孔的技術優(yōu)勢，針對現(xiàn)有施工的技術問題，對施工提出了改進建議。郝光生[7]、李勝[8]、趙會波[9]等對頂板高位鉆孔的層位進行了分析，確定了在合理的垂直層位和水平層位條件下，能達到最理想的抽采效果。程志恒[10]等對頂板高位鉆孔的高效抽采機理進行了研究，揭示了采空區(qū)頂板高位走向長鉆孔高效抽采瓦斯作用機制。王雪瑞[11]等通過分析鉆孔布置方式對應的抽采瓦斯?jié)舛茸兓?，提出了高位鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化方案。向真才[12]針對工作面瓦斯大量涌出實際，提出了采空區(qū)頂板高位鉆孔抽采參數(shù)的設計及優(yōu)化。但在諸多研究中，針對頂板高位鉆孔在工作面采中和采后的抽采效果研究相對較少。為此開展了相關研究，以期為該技術的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 裂隙帶瓦斯富集規(guī)律

由于開采擾動的破壞作用，大量吸附態(tài)甲烷氣以“解吸—擴散—滲流”的形式轉(zhuǎn)化為游離態(tài)甲烷氣體。大量溶解態(tài)甲烷在大氣重力作用下“升浮”到綜采工作面頂板，由于煤層開挖所形成的空洞造成上覆巖層重力擠壓偽頂、直接頂，偽頂垮落、掉落至采空區(qū)，直接頂形成向下垮落的橫向和縱向裂隙，直接頂板大量裂縫發(fā)育并進入采空區(qū)。工作面煤體在采動影響下會造成煤體破碎，圍巖和鄰近煤層因應力釋放形成裂隙空間，大量處于原始應力狀態(tài)下的瓦斯氣體向采掘空間運移，進而向上方的裂隙空間積聚。

形成的裂隙帶存在橫向和縱向兩種形態(tài)的裂隙結(jié)構，縱向裂隙是游離態(tài)甲烷向上部運移的通道。橫向裂隙是彎曲帶的下部邊界，上部的巖層逐步趨于穩(wěn)定。游離態(tài)甲烷氣體運移至橫向裂隙時，由于縱向裂隙尚未發(fā)育，導致無法進一步向上部巖層移動，形成了以裂隙帶為瓦斯富集的集中區(qū)域。頂板裂隙帶鉆孔布置示意圖如圖1 所示。

圖1 綜采面裂隙瓦斯富集區(qū)示意圖

2 頂板高位鉆孔抽采

2.1 頂板高位鉆孔設計

頂板高位鉆孔一般在工作面圈定后及工作面回采前1 個月左右施工完畢，應主要考慮生產(chǎn)的銜接情況及鉆孔能有效發(fā)揮最大的抽采效益。采用VLD-1000型定向千米鉆機，施工的鉆孔長度達到150～250 m，鉆場間距400 m。以成莊礦4318 綜采面為例，其工作面的傾向長度為1 200 m，在工作面回風巷內(nèi)設置了3 個鉆場，每個鉆場施工4 個頂板高位鉆孔，鉆孔傾角為3°，緩慢向上鉆進，施工至頂板上方50 m左右后沿工作面推進方向水平鉆進。頂板的層位參考郝光生[7]等的研究結(jié)論。成莊礦4318 工作面的頂板高位鉆孔布置圖如圖2 所示。

圖2 4318 工作面采空區(qū)高位鉆孔施工示意圖

2.2 頂板高位鉆孔抽采效果考察

為考察定向高位鉆孔的抽采效果，對不同鉆孔推過前后瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚贵w積分數(shù)，全文相同）和流量變化情況進行測定，本文取比較典型的2 個鉆孔的變化曲線，以說明高位鉆孔的抽放效果。4318 工作面1 號鉆孔濃度、純量變化曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，工作面在推進22 m 后，頂板垮塌形成裂隙，開始有流量，瓦斯初始濃度達到60%左右，隨著工作面向前推進，瓦斯混量增加到7m3/min，濃度保持在50%左右，抽采的純瓦斯量達到3.5 m3/min，且可保持工作面安全推進180 m 以上。實踐證明，頂板高位鉆孔可作為傾向鉆孔抽采空區(qū)瓦斯。

4318 工作面2 號鉆孔濃度、純量變化曲線如圖4 所示。

圖4 4318 工作面2 號鉆孔濃度、純量變化曲線

從圖4 可以看出，工作面在推進42 m 后，高位鉆孔開始有流量，濃度達到60%左右，隨著工作面逐步推進，流量增加到6 m3/min，且濃度保持在50%左右，可抽3 m3/min 瓦斯，且能保持160 m 的推進度，后期頂板垮落穩(wěn)定，瓦斯抽采純量保持在1 m3/min左右。

318 工作面噸煤瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量關系如圖5 所示。

圖5 4318 工作面噸煤瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量關系

從圖5 可以看出，高位鉆孔抽采時，工作面噸煤瓦斯涌出量逐步下降，鉆孔抽采量與工作面涌出量呈現(xiàn)一定的反相關關系，由最初的3.5 m3/min 降低至2 m3/min，下降幅度達到42%。

通過對4318 綜采面高位鉆孔的抽采效果來看，工作面噸煤瓦斯涌出量與鉆孔抽采量隨工作面的推進進度呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律性變化趨勢?？傮w來看，高位鉆孔的初始抽采階段，抽采量較低，工作面的噸煤瓦斯涌出量較高，說明工作面煤體和周邊圍巖裂隙涌出的大量瓦斯釋放至采掘空間，主要由通風排出。在工作面回采推進至200 m 后，高位鉆孔抽采量迅速增大，大量瓦斯由頂板高位鉆孔抽出，直接使得工作面采掘空間內(nèi)釋放的瓦斯量降低。

2.3 回采結(jié)束后采空區(qū)高位鉆孔抽放

在老采空區(qū)內(nèi)，由于遺留落煤及周邊圍巖和鄰近煤層因應力釋放等原因，在封閉的采空區(qū)內(nèi)會積存大量瓦斯，會給鄰近正在回采的工作面或掘進工作面生產(chǎn)帶來巨大安全隱患。以成莊礦4318 工作面為例，其鄰近的4319 工作面生產(chǎn)時，因圍巖擠壓導致巷道變形，其老采空區(qū)的瓦斯會在卸流通道及壓力差的作用下，向鄰近的4319 工作面大量泄漏瓦斯。為此，在4318 老采空區(qū)過停產(chǎn)線40 m 處施工頂板高位鉆孔，鉆孔施工至頂板上方60 m 后進行定向抽采。鉆孔布置如圖6 所示，438 老采空區(qū)2 號鉆孔濃度、純量變化曲線如下頁圖7 所示。

圖6 4318 工作面老采空區(qū)高位鉆孔施工示意圖

圖7 438 老采空區(qū)2 號鉆孔濃度、純量變化曲線

從圖7 可知，4318 老采空區(qū)施工的頂板定向高位鉆孔抽采效果明顯，在開始抽采階段，抽采管內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗_到80%以上，說明老采空區(qū)積存了大量瓦斯氣體。經(jīng)過近19 d 的抽采，管路內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)降低至25%左右，說明在抽采負壓的持續(xù)作用下，老采空區(qū)的瓦斯逐步被排出。由此可以判斷，老采空區(qū)遺落的煤炭在持續(xù)不斷地向采空區(qū)釋放瓦斯。

在4319 工作面實際生產(chǎn)過程中，通風風量保持在2 300 m3/min，由于鄰近工作面老采空區(qū)瓦斯被抽出，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.35%以下，生產(chǎn)的160 d 時間內(nèi)均保持在0.5%以下，有效保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。

3 結(jié)語

采空區(qū)和老采空區(qū)是工作面瓦斯治理的重要區(qū)域之一，治理措施不到位極易造成向采掘空間運移或向鄰近工作面泄漏瓦斯，造成難以控制的重大安全風險。

以成莊礦4318 綜采面為例，高位鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛然究煞€(wěn)定在50%以上，且能有效保障工作面安全回采進度達到180 m 以上，驗證了走向頂板孔抽采的優(yōu)勢。對老采空區(qū)的定向抽采實踐表明，經(jīng)過19 d 的不間斷抽采，老采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔?0%降低至25%，有效保障了鄰近工作面的安全生產(chǎn)。隨著采空區(qū)高位鉆孔抽采效果的提升，采空區(qū)瓦斯得到有效治理，長距離橫川通風可以滿足生產(chǎn)要求，所以可減少橫川施工數(shù)量，有利于成莊礦的采掘銜接。