耿 銘，徐青云

(1.大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

特厚煤層放頂煤工作面短時(shí)間內(nèi)釋放大量瓦斯，同時(shí)工作面來壓時(shí)垮落頂板擠壓采空區(qū)，使得工作面極易產(chǎn)生瓦斯超限現(xiàn)象[1]。塔山礦井系厚煤層大采高、綜放工作面，雖煤層瓦斯含量較低，瓦斯絕對涌出量卻較大，成為制約工作面高效安全開采的主要因素。曾嘗試了各種方法和措施治理瓦斯，如：封堵上下端頭導(dǎo)流稀釋瓦斯、構(gòu)筑上隅角封堵墻、風(fēng)帳導(dǎo)流、上隅角埋管抽采、高位仰角鉆孔抽采、頂板高抽巷封閉抽采等方法[2]。采用上述方法基本能夠解決工作面正常生產(chǎn)的瓦斯涌出，但工作面經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯涌出異常和峰值現(xiàn)象，不能完全杜絕工作面后部運(yùn)輸機(jī)尾和上隅角瓦斯超限[3]。特別是當(dāng)遇到地質(zhì)異常區(qū)、周期來壓瓦斯涌出異常時(shí)，頂板高抽巷內(nèi)瓦斯仍處于較高的濃度范圍內(nèi)，存在不安全因素；另外，塔山礦原始煤層透氣性差、瓦斯含量小，進(jìn)行煤體預(yù)抽基本不可行，因此，本文在分析研究塔山礦瓦斯治理技術(shù)的基礎(chǔ)上[4-9]，設(shè)計(jì)了地面L型鉆孔抽采瓦斯方案，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，以探索瓦斯治理新途徑。

1 工作面概況

塔山礦8214工作面煤層厚度4.55～33.90m之間，平均為11.95m。工作面回采長度為2930m，工作面寬度為230.5m，煤層平均瓦斯含量為2.64m3/t。工作面采用放頂煤的采煤方法，工作面采用U型通風(fēng)。高抽巷布置在煤層頂板巖層中距煤層頂板20m處，面臨工作面上隅角瓦斯瞬時(shí)超限和低抽巷瓦斯?jié)舛绕叩娘L(fēng)險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)采用地面L型鉆孔進(jìn)行工作面瓦斯抽采。

2 地面L型鉆孔設(shè)計(jì)方案

2.1 地面L型鉆孔瓦斯抽采原理

地面L型鉆孔抽采工作面上隅角后上方富集區(qū)瓦斯涉及到回采過程中煤巖應(yīng)力場重新分布、變形及破壞、瓦斯壓力、滲透性變化以及瓦斯解吸及運(yùn)移規(guī)律。

在綜放面開采過程中，井下煤層的開采形成采動(dòng)空間，會(huì)引起周圍煤巖體原始應(yīng)力的變化，其上覆巖層與底板巖層受到附加力的擠壓，應(yīng)力不斷增強(qiáng)超過巖石最大強(qiáng)度極限時(shí)，受壓頂板就會(huì)出現(xiàn)斷裂、破碎、冒落等現(xiàn)象，隨之產(chǎn)生變形移動(dòng)[10-13]。開采層頂?shù)装迕簬r體受采動(dòng)影響，發(fā)生移動(dòng)破壞及裂隙發(fā)育，裂隙、空隙較多，貫通性較好，是鄰近煤層瓦斯、周圍巖體內(nèi)瓦斯運(yùn)移的良好通道[14-16]。

在地面選擇合適位置，在不改變工作面通風(fēng)流動(dòng)場的前提下，通過鋪設(shè)管路達(dá)到采空區(qū)上方瓦斯富集區(qū)，產(chǎn)生負(fù)壓點(diǎn)，使采空區(qū)與管路垂直距離產(chǎn)生壓力差，瓦斯向管路產(chǎn)生推動(dòng)力，致使游離瓦斯集聚增加迅速上升，使采空區(qū)和低位抽采巷瓦斯向鉆孔匯集，距離越近流速越快，達(dá)到減少工作面采空區(qū)和低位抽采巷瓦斯的目的。

2.2 鉆孔層位的模擬確定

依據(jù)塔山礦8214工作面建立3DEC數(shù)值模型，模型長度200m，寬120m，高度100m，未至地表，頂部邊界荷載9.98MPa。在8214工作面選取不同回采距離，其上部覆巖垮落特征如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)工作面回采至38m時(shí)，直接頂開始垮落有部分變形離層；當(dāng)工作面回采至74m時(shí)，直接頂粉砂巖已完全破斷，夾煤層和砂質(zhì)泥巖已垮落，老頂離層形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，基本頂中部有彎曲下沉趨勢，瓦斯通道向巖體上部發(fā)展；當(dāng)工作面回采至83m時(shí)，直接頂粉砂巖已垮落堆積，基本頂“懸臂梁”結(jié)構(gòu)斷裂，形成初次來壓；當(dāng)工作面回采至92m時(shí)，基本頂階梯狀斷裂至懸臂梁垮落并向上發(fā)展，形成第一次周期來壓，周期來壓步距9m；當(dāng)工作面回采至118m時(shí)，基本頂不斷斷裂垮落，基本頂上部區(qū)域形成“壓力拱”結(jié)構(gòu)，覆巖形成較明顯的分帶現(xiàn)象，此時(shí)垮落帶高度約為35m，裂隙帶高度約為60m，上部覆巖到地面發(fā)育為彎曲帶。結(jié)合塔山礦生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)裂隙帶高度為工作面采高的3～5倍，可判斷出60m是裂隙帶與彎曲下沉帶的分界線。L鉆孔主要抽采大流量、高濃度的瓦斯，因此鉆孔位置應(yīng)布置于煤層頂板以上40～60m，距幫26～30m。

2.3 L型鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

為延長地面L型鉆孔試驗(yàn)時(shí)間和有效利用時(shí)間，在8214工作面推過直孔位置后，保持立孔不斷裂，能夠繼續(xù)抽采采空區(qū)瓦斯，地面L型鉆孔孔點(diǎn)位置(坐標(biāo)：X：4421388.0；Y：540350.0；Z：1573.8)選擇位置要求地勢比較平整，無其他建筑物，距離居民建筑比較遠(yuǎn)，交通要求方便快捷，故位置選擇在8214面的相對應(yīng)的地面。該位置地質(zhì)構(gòu)造、水文情況比較簡單，再次施工符合L型鉆井施工具備的比較好基礎(chǔ)條件。

選好孔口位置，一開：0～60m，孔徑Φ444.5mm，下入Φ339.7mm×9.65mm表層套管、固井候凝；二開：60～480m，孔徑Φ311mm，0～480m下入Φ244.5mm×8.94mm技術(shù)套管后固井候凝；三開：480～860m，孔徑Φ216mm，450～660m下入Φ168mm石油套管，660～860m，裸孔。鉆孔位置距地面480m時(shí)，其弧形孔長542m至3#—5#煤層頂板上，距煤層頂板85.7m，平面位置內(nèi)錯(cuò)8214回風(fēng)巷58.3m。距離8214工作面回風(fēng)巷平行方向30m時(shí)，由弧形孔落點(diǎn)向8214面工作面回采方向施工一傾斜裸孔，終孔點(diǎn)距3#—5#煤層頂板42.5m，平面位置內(nèi)錯(cuò)8214面回風(fēng)巷26.5m，傾斜段長度200m，如圖2所示。

圖2 地面L型鉆孔實(shí)鉆軌跡示意圖

3 地面L型鉆孔抽采效果分析

3.1 試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)測手段

在地面瓦斯抽采泵的進(jìn)氣主管負(fù)壓側(cè)分別設(shè)置管道流量、瓦斯?jié)舛?、壓力、溫度和CO傳感器等，實(shí)現(xiàn)對井下管道瓦斯抽采總量的實(shí)時(shí)計(jì)量；通過設(shè)置軸承溫度傳感器和斷電保護(hù)儀，實(shí)現(xiàn)對抽采泵的起停閉鎖控制；通過設(shè)置設(shè)備開停傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測抽采泵的工作狀態(tài)；通過設(shè)置泵房瓦斯傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測抽采泵站機(jī)房的環(huán)境泄漏瓦斯?jié)舛?，并?shí)現(xiàn)報(bào)警和斷電保護(hù)；各管道監(jiān)測參數(shù)和工況監(jiān)測參數(shù)均上傳至瓦斯抽采監(jiān)控裝置，工控機(jī)將瓦斯抽采監(jiān)控裝置采集到的各種生產(chǎn)信息進(jìn)行加工處理、顯示，實(shí)現(xiàn)各類瓦斯抽采量的實(shí)時(shí)運(yùn)算、自動(dòng)累計(jì)及相應(yīng)的保護(hù)控制等功能。

3.2 抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴闪糠治?/h3>

地面L型鉆孔抽采數(shù)據(jù)如圖3所示，由圖3可知，5月2日以來，8214工作面頂抽巷濃度在3%～5%附近波動(dòng)，5月30日后頂抽巷瓦斯?jié)舛认陆档?%以下。截至7月9日，累計(jì)抽采瓦斯量達(dá)28萬m3，瓦斯?jié)舛确逯?2%，氣體混合量峰值68.7m3/min。抽采分為三個(gè)階段：

圖3 地面L型鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群突旌狭壳€

1)第一階段為5月2日—5月6日。抽采初期，在664.1m以下裂隙發(fā)育并不理想，抽采量不穩(wěn)定，考慮采用間斷式抽放，單孔抽放數(shù)值最高僅為10m3/min。在距離煤層頂板4倍采高位置、煤厚12m、位置為664.1～747m時(shí)，抽采穩(wěn)定，連續(xù)性好，最高能達(dá)到53.1～67.6m3/min之間，期間抽采大量瓦斯氣體，混合氣體濃度一直穩(wěn)定在30m3/min左右，當(dāng)距離煤層頂板5倍采高，裂隙發(fā)育不理想，5月6日瓦斯?jié)舛扔?.02%～0.04%升高至24.3%，流量在14～14.6m3/min變化。

2)第二階段為5月7日—5月16日。這一階段抽放瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定，在13.6%～19.3%之間，實(shí)施抽壓負(fù)壓提高的方法，負(fù)壓由28kPa調(diào)到53kPa，瓦斯抽放量到達(dá)17.6～23.4m3/min，為確保測值準(zhǔn)備進(jìn)行了手檢，16日瓦斯?jié)舛戎鸩剿p降為0，此時(shí)決定采用靜壓水力壓裂，從井口壓入60m3水。

3)第三階段為5月17日—7月9日。實(shí)施水壓沖孔，提高負(fù)壓到60kPa，瓦斯?jié)舛扔?升高到42%，至6月14日，抽采瓦斯?jié)舛纫恢本S持在15%左右，6月20日—7月9日瓦斯?jié)舛人p加快，波動(dòng)比較大，穩(wěn)定性變差，采用間斷開啟抽采方式。

4 上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确治?/h2>

1)5月2日至 7月9日，采用L型鉆孔抽采對工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔绊戯@著。當(dāng)采用L型鉆孔抽采時(shí)，上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低，最低僅為0.2%左右；當(dāng)停止采用L型鉆孔抽采時(shí)，瓦斯?jié)舛壬仙黠@。說明L型鉆孔抽放瓦斯能有效降低采煤工作面的瓦斯?jié)舛取?/p>

2)抽采期間，L型鉆孔平均抽采氣體混合量12.7m3/min，瓦斯?jié)舛绕骄禐?2.68%，如圖4所示，從圖4可以看出，采用地面L型鉆孔抽采后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆捣容^大，瓦斯?jié)舛葍H為0.05%，抽采巷瓦斯?jié)舛冉禐槠骄?.1%，說明采用L型鉆孔抽采大幅降低了工作面和低位抽采巷的瓦斯?jié)舛?。通過分析可知，采動(dòng)影響下頂板的裂隙發(fā)育，游離瓦斯向上集中于裂隙帶內(nèi)，L型鉆孔水平段就布置在高濃度的裂隙帶內(nèi)，降低了低位抽采的瓦斯?jié)舛?，瓦斯?jié)舛瘸椴闪扛摺?/p>

圖4 L型鉆孔抽采后上隅角和抽采巷瓦斯?jié)舛茸兓€

綜上所述，采用L型鉆孔抽采頂板上部瓦斯大幅降低了工作面上隅角和低位抽采巷的瓦斯?jié)舛龋〉昧吮容^理想的效果。

5 結(jié) 論

1)地面L型鉆孔瓦斯抽采技術(shù)解決了塔山礦8214工作面瞬間瓦斯超限的問題，使瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.05%～0.2%之間，保障了工作面的安全回采。

2)地面L型鉆孔瓦斯抽采技術(shù)有效控制了低位抽采巷瓦斯?jié)舛?，瓦斯?jié)舛扔?.2%下降到2.1%，降幅達(dá)到50%，改善了低位抽采巷的安全環(huán)境。

3)地面L型鉆孔瓦斯抽采技術(shù)是地面立孔和高抽巷瓦斯治理技術(shù)的集成創(chuàng)新，由于地面開孔位置可選擇在地表沉陷范圍以外，有效避免了地面立孔的“斷孔、切孔、錯(cuò)孔”等弊端，也回避了高抽巷施工工期長、與采掘活動(dòng)相互影響、易造成采場接替緊張等難題，同時(shí)也降低了瓦斯治理工程量和費(fèi)用，無論在經(jīng)濟(jì)效益還是在社會(huì)效益上都有著明顯的優(yōu)勢。