荊履財

（陽泉煤業(yè)集團泊里煤礦有限公司，山西 晉中 032700）

0 引言

泊里煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，3#煤層的回采長度為220 m，最大采高為6.3 m，日進尺約為6.1 m。采用傾斜長壁綜采放頂煤的采煤方法，工作面綜合回采率約為88%。該煤層瓦斯含量為3.59～6.31 m3/t，從東向西依次遞增，整個井田瓦斯含量呈現(xiàn)東低西高的趨勢。根據(jù)勘探分析，礦井達產(chǎn)時回采工作面最大瓦斯涌出量為27.31 m3/min；掘進工作面最大瓦斯涌出量為3.42 m3/min；礦井最大相對瓦斯涌出量為8.86 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為55.91 m3/min。因此可以判斷該礦屬于高瓦斯礦井。

由于井下回采工作面、掘進工作面、采空區(qū)的允許通過風(fēng)量均小于稀釋瓦斯所需風(fēng)量，因此需要結(jié)合煤礦的實際情況，建立適合井下作業(yè)安全的高效瓦斯抽采工藝技術(shù)。

1 回采工作面瓦斯抽放方法

1.1 回采工作面開采層瓦斯抽放

根據(jù)勘探分析，回采面在進行開采時瓦斯的涌出量極大，因此需要對其進行瓦斯抽放。泊里煤礦煤層透氣性系數(shù)為0.362 8～1.141 1 m2/（MPa2·d），屬于可以抽放范圍。在對未卸壓開采、綜采卸壓開采及人為卸壓開采方案分析后，決定采用未泄壓開采法。該方案一般包括了順層式開采和穿層式開采兩種，由于順層開采法鉆孔式能夠揭露的煤層面積大，在鉆進時候的效率和成本都優(yōu)于穿層式開采[1-2]。因此在回采面瓦斯抽采時采用了順層式開采技術(shù)，實現(xiàn)邊采邊抽，不但可以確保井下瓦斯抽采的均衡性，而且能夠有效利用綜采面上的超前采動卸壓效應(yīng)，提升井下瓦斯的抽采效率。

結(jié)合井下作業(yè)面的實際情況，在回采面順槽鉆孔布置時采用了三維立體交錯布置模式，在一側(cè)的鉆孔和順槽按85°角鉆進，在另一側(cè)的鉆孔則需要和順槽按75°角鉆進，這兩種鉆孔呈雙排三花立體交叉布置結(jié)構(gòu)，每個鉆孔之間的距離設(shè)置為2 500 mm，鉆孔的長度設(shè)置為122 m，從而實現(xiàn)對回采面瓦斯的最佳抽采效果?；夭擅骖A(yù)抽鉆孔布置如圖1 所示。

1.2 回采工作面鄰近層瓦斯抽放

在對井下的3 號煤層進行開采時，會對上側(cè)的1～2 號煤層產(chǎn)生擾動，同時也會對下側(cè)的5～6 號煤層產(chǎn)生擾動。根據(jù)“三帶”機理進行分析，3 號煤層的裂隙帶的厚度為綜采煤層平均厚度的7 倍，因此該煤層的裂隙帶厚度在44.1 m 左右，所以可以判斷，3 號煤層的上下臨近煤層均位于其裂隙帶范圍內(nèi)。3 號煤層臨近的各煤層和3 號煤層的距離如表1 所示。

表1 3 號煤層與鄰近層垂直距離表

在綜采作業(yè)的過程中，上臨近煤層和下臨近煤層在綜采擾動影響下出現(xiàn)卸壓情況，使臨近煤層的透氣性得到了顯著的提升。再加上煤層和各巖層之間的裂隙，使得該區(qū)域內(nèi)不僅可以存儲大量的瓦斯氣體，而且此區(qū)域內(nèi)的瓦斯具有極高的流動性，會不斷地流入到綜采煤層區(qū)域[3-4]。因此為了確保作業(yè)的安全性，需要對3 號煤層臨近的采區(qū)進行瓦斯抽采。

通過對3 號煤層臨近采區(qū)的地質(zhì)勘探及瓦斯賦存情況分析，泊里煤礦回采工作面瓦斯涌出量主要以開采層為主，且鄰近層比例相對較小，因此對鄰近層瓦斯進行抽采時采用了高位鉆孔抽放方案。

高位鉆孔抽采技術(shù)主要是沿綜采層走向設(shè)置定向鉆孔，從而解決區(qū)域內(nèi)瓦斯超限的一種技術(shù)。結(jié)合臨近工作面的地質(zhì)情況，在進行鉆孔布置時，需要沿著回風(fēng)巷設(shè)置一條垂直的平巷作為鉆場，平巷的尺寸為5 000 mm×4 000 mm×3 000 mm，在每個鉆場內(nèi)設(shè)置7 個鉆孔，這些鉆孔呈扇形布置，角度約為5°，從而擴大瓦斯抽采的范圍，保證臨近工作面瓦斯抽采的可靠性。臨近工作面瓦斯抽采布置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔抽放鄰近層瓦斯示意圖

采用高位鉆孔抽采的方案，在進行鉆孔和管路鋪設(shè)時候不會影響井下巷道正常的通風(fēng)，而且所有鉆場是設(shè)置在綜采面的下側(cè)，即使后續(xù)抽采系統(tǒng)出現(xiàn)異常，也不會對綜采面的回采產(chǎn)生大的影響，因此能夠更好適應(yīng)井下高瓦斯抽采的情況。

2 掘進工作面抽采方案

在對掘進工作面進行抽采時，首先從順槽的前方和兩側(cè)沿著煤層方向設(shè)置定向長鉆孔，先對巷道和煤體兩側(cè)的瓦斯進行抽采。待該區(qū)域抽采完成后再根據(jù)巷道的掘進情況循環(huán)設(shè)置下一組的抽采孔[5-6]。為了滿足井下掘進工作面高效鉆孔和抽采的需求，在進行鉆場設(shè)置時采用了邁步式鉆場布置結(jié)構(gòu)，單側(cè)的鉆場距離設(shè)置為300 m，兩側(cè)的鉆場設(shè)置距離為100 m，每個鉆場的尺寸按4 500 mm×3 200 mm×4 000 mm 的結(jié)構(gòu)布置，鉆場完成后開始進行鉆孔施工。

根據(jù)每個鉆場的尺寸及瓦斯賦存情況，在每個鉆場內(nèi)設(shè)置6 個抽采鉆孔。在巷道前方鉆孔需要按三列兩排的方式鉆進，在第一排的鉆孔鉆進位置和巷道底板的距離為1 200 mm，第二排的鉆孔和巷道底板的距離為1 700 mm。在第一列的鉆孔和巷幫的距離設(shè)置為2 200 mm，第二列的鉆孔和巷幫的距離設(shè)置為2 700 mm。

在巷道迎頭位置則設(shè)置雙排三花鉆孔，鉆孔間距為500 mm，鉆孔的長度為220 m，能夠?qū)崿F(xiàn)對巷道外側(cè)20 m 范圍內(nèi)的可靠預(yù)抽。掘進面瓦斯抽采布置方案如圖3 所示。

圖3 掘進面瓦斯抽采布置方案圖

3 采空區(qū)瓦斯抽放

3 號煤在回采結(jié)束后會進行全封閉處理，然后在封閉墻上設(shè)置抽放管，使采空區(qū)的瓦斯在抽放負壓的影響下進行采空區(qū)的瓦斯抽放。為了提高抽放的安全性，抽采時的負壓不能過高[7]。

避免在抽放時由于采空區(qū)內(nèi)負壓過高而導(dǎo)致的漏風(fēng)情況，根據(jù)井下的實際驗證，在抽采時的負壓設(shè)置為6 kPa。在采空區(qū)抽采時的抽采布置方案如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯抽采布置方案圖

4 瓦斯抽放工藝參數(shù)

4.1 鉆孔直徑

通常情況下瓦斯抽采時的鉆孔直徑約為80 mm，根據(jù)井下高瓦斯的實際情況，為了提高瓦斯的抽采效率，在進行鉆孔設(shè)置時采用了大直徑鉆孔抽采方案，所使用的鉆孔直徑為94 mm。

4.2 鉆孔長度

在鉆進時的鉆孔長度需要根據(jù)井下的地質(zhì)情況確定，在該回采面的鉆孔長度設(shè)置為122 mm，在掘進面上進行定向長鉆孔時，鉆孔的長度設(shè)置為220 mm。

4.3 鉆孔間距

通過井下地質(zhì)勘探，煤層的透氣性系數(shù)為0.92 m2/（MPa2·d），因此在進行孔間距設(shè)置時，結(jié)合了井下綜采面的長度、掘進速度、地質(zhì)條件、鉆孔便捷性等，確定了回采面上各個鉆孔之間的距離為2 000 mm，在掘進面上的鉆孔間距設(shè)置為500 mm。

4.4 封孔方式及封孔長度

結(jié)合井下長期鉆孔的封孔經(jīng)驗，在封孔時采用馬麗散封孔，封孔時的過孔管采用了具有阻燃、耐腐蝕、抗靜電特性的工程塑料管，整個鉆孔的封孔長度為6 000 mm。

4.5 鉆機選型

采面鉆孔施工選用4 臺ZDY-1900S 全液壓鉆機，掘進面抽采鉆孔施工選用8 臺ZDY-6000S 全液壓鉆機。

4.6 抽放時間的確定

3 號煤作業(yè)面采用了交叉鉆孔抽采技術(shù)，在工作面上共布置鉆孔1 795 個。煤層的平均原始瓦斯含量6.31 m3/t，在鉆進時的百米瓦斯涌出量最大約為0.004 1 m3/min，由于井下瓦斯流量的衰減和不均衡性，因此所設(shè)計的鉆孔瓦斯流量按0.004 m3/min 計算，則預(yù)抽瓦斯最短時間按式（1）計算：

式中：T 為預(yù)抽瓦斯時間，min；Kz為鉆孔抽放不均衡系數(shù)，取1.2；L1為回采工作面采長，取220 m；L2為回采工作面走向長度，平均1 795 m；M 為煤層厚度，平均6.62 m；γ 為煤層容重，1.37 t/m3；W0為煤層原始瓦斯含量，取最大值6.291 m3/t；W1為煤層殘存瓦斯量，3.18 m3/t；η 為工作面瓦斯抽放率，上面計算預(yù)抽煤層回采工作面抽放率50%；k 為抽放情況下百米鉆孔初始瓦斯抽放量修正系數(shù)，取2.5；n 為回采工作面開采層抽放鉆孔數(shù)量，平均1 795 個；L 為回采工作面開采層抽放鉆孔長度，122 m；q 為百米鉆孔自然瓦斯流量，0.003 0 m3/min；

經(jīng)計算，T=283.48 d。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合礦井目前實際預(yù)抽經(jīng)驗，設(shè)計確定回采工作面預(yù)抽瓦斯時間為300 d。目前該瓦斯聯(lián)合抽采技術(shù)已經(jīng)在井下平穩(wěn)運行一年以上，表現(xiàn)出了極高的瓦斯抽采效率，有效提升了井下綜采作業(yè)的安全性。

5 結(jié)論

根據(jù)泊里煤礦井下的實際情況，對回采工作面、掘進工作面、采空區(qū)的瓦斯抽采方案進行了研究，確定在回采工作面采用未卸壓抽放技術(shù)，在回采工作面鄰近層采用頂高位鉆孔抽放，在掘進工作面采用定向長鉆孔，在采空區(qū)采用負壓抽采。對抽采工藝技術(shù)參數(shù)進行了分析，確定了在井下瓦斯預(yù)抽時間為300 d，有效確保了井下瓦斯抽采的安全性，為類似礦井的瓦斯抽采方案制定奠定了基礎(chǔ)。