地面L型钻孔在大采高综放工作面瓦斯治理工作中的探索*

李　杰，孙珍平

(1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺 113122)

0　引言

瓦斯事故是我国煤炭事故中造成人员伤亡，经济损失最严重的事故，特别对于大采高综放工作面更是如此，瓦斯抽采是解决我国煤矿瓦斯问题的根本措施。目前，国内许多学者对此都进行了研究，王春光等提出了顶板专用排瓦斯巷巷道密闭抽放采空区瓦斯，上下隅角粉煤灰墙封堵，减少采空区漏风量，局部地点挂风帘处理局部瓦斯积聚和超限综合治理措施，能够较好的解决瓦斯问题[1]。刘峰提出大采高综放开采工艺可以有效提高潞安矿区在高瓦斯厚煤层条件下综合机械化开采工作面的整体装备水平和单产水平,并且使潞安矿区在该煤层且地质条件相对较复杂条件下的高产高效开采整体技术水平跨入了国内先进行列[2]。华海洋等采用底板穿层钻孔与工作面顺层钻孔卸压抽放、高位走向钻孔抽放、上隅角站管抽放、优化抽放、通风系统等瓦斯治理技术;根据瓦斯来源不同,抽放浓度、流量差异较大,采取高浓低流、低浓高流分源抽放,取得了很好的治理效果,真正的实现了综采面的高产高效[3]。以上学者均在瓦斯治理方面提出了自己的见解，并且得到了一定成果，为矿井生产提供了安全保障。但是国内对地面“L”型钻孔的研究甚少，故本文研究了地面L型钻孔在大采高综放工作面瓦斯治理措施。

1　概况

同煤塔山矿设计生产能力为15 Mt/a，采用综采放顶煤开采石炭二叠系3-5号煤层，平均煤层厚度为16 m，煤层赋存稳定，属自燃煤层，3-5号煤层顶板为炭质泥岩、高岭质泥岩、粉砂岩，底板为含砾高岭岩、砾屑石英、高岭岩，3-5号煤层二盘区瓦斯含量为0.91～1.89 m3/t，工作面进风量为2 500～2 700 m3/min，巷道宽5.6 m，高4.2 m，截面积23.52 m2，风速约为1.9 m/s,回风巷风量约为1 500～1 800 m3/min，巷道宽5.2 m，高4 m，截面积20.8 m2，风速约为1.4 m/s。为了实现14～20 m特厚煤层的高效开采，我国近几年成功开发了大采高综放开采成套技术，并在该矿成功应用，实现了特厚煤层大采高综放开采工作面年产1 000万t的目标[4]。虽然煤层瓦斯含量较小，但是由于开采强度大，机械化程度高，工作面绝对涌出量达到40 m3/min，矿井回采过程中工作面瓦斯涌出不均衡(放煤期间瓦斯急速升高)，上隅角瓦斯频繁超限，不仅严重影响工作面生产和综机效能的发挥，还有可能酿成瓦斯爆炸等安全事故，对国家和人民生命财产构成巨大威胁。矿井曾试验采前预抽、边采边抽、采空区埋管、预埋立管等抽采方法，但均未能解决工作面瓦斯问题，因此，选择合适的治理方法，解决该矿特厚煤层瓦斯低赋存、高涌出、涌出不均衡的问题尤为重要。

2　瓦斯来源及治理措施分析

对工作面上隅角瓦斯治理首先应该搞清楚工作面瓦斯来源及流动规律。工作面瓦斯涌出特征与煤层的赋存、开采条件密切相关，综采放顶煤工作面瓦斯涌出主要来源包括割煤、放顶煤、采空区涌出，割煤速度越快、放煤量越大，瓦斯涌出量就越大。根据煤层瓦斯赋存与流动理论、回采工作面矿山压力规律及采场覆岩移动规律、采空区“O”型圈等理论可知：割煤涌出大部分瓦斯会被工作面风流稀释排入回风巷；由于受到层位限制工作面风流很难稀释卸压顶煤涌出的大量瓦斯，这部分瓦斯积聚在支架顶部(如图1所示)，在顶煤垮落时随之进入工作面，在风流带动下进入回风巷或最终集聚到上隅角，造成工作面回风流浓度突然升高、上隅角瓦斯超限[5-7]；而采空区涌出瓦斯在工作面漏风风流及浮力作用下首先涌向工作面上隅角及上部冒落带。目前大采高工作面瓦斯治理理念为多巷道、大风量、强抽采，主要措施包括调解通风方式、煤层预抽、采空区埋管、顶板高抽巷、底板抽采巷、地面钻孔预抽、高位钻孔等，然而上述措施中：Y型通风易引起采空区自燃，高抽巷抽采具有滞后性，高位钻孔抽采量小，煤层瓦斯含量较低预抽效果不佳施工成本高的缺陷，经过论证及矿井实践，上述措施并不适合该矿回采工作面瓦斯治理工作[8-15]。结合该矿煤层赋存特厚、瓦斯含量低、易自燃的实际情况，总结现场实践中的经验教训，探索出在3-5号煤层顶部2号煤层布置一条低位采空区专用抽采巷抽采工作面瓦斯的方法(如图2所示)，配备DN900抽采管路和2BEC120水环真空泵，大直径、大流量密闭抽采工作面冒落带瓦斯的抽采方法。该方法克服了传统方法的弊端，成功解决了该矿特厚煤层放顶煤开采工作面瓦斯问题，在该矿邻近矿区得到广泛推广应用。

图1　放顶煤工作面瓦斯涌出分布Fig.1　The gas distribution in the LTCC

图2　低位采空区抽采巷位置示意Fig.2　The low order drainage tunnel of goaf

虽然低位采空区抽采巷对该矿工作面瓦斯问题治理效果显著，但由于抽采巷内瓦斯浓度偏低，抽采混合流量一般需要保持在800 m3/min左右，造成抽采巷抽采负担过大的现实问题；另外，抽采巷内瓦斯浓度有时处于爆炸极限4%～16%之间，存在安全隐患，因此，除了对抽采巷内气体进行实时监测外，还需采用辅助抽采措施降低抽采巷浓度，以及在巷道内铺设5～10 cm石沫，每隔100 m安装一道铜制水幕等防止产生火花的安全措施，无形中增加了工作面通风及安全管理难度；然而通过前文分析目前传统抽采方法无法解决该矿工作面瓦斯问题，因此，如何减小抽采巷抽采负担，消除安全隐患成为了矿井需要解决的另一道难题。得益于钻进设备的发展，采用地面钻孔超前预抽煤层瓦斯、密闭抽采矿井采空区瓦斯等技术方法在我国煤炭行业得到长足发展，地面L型长钻孔近年来作为一种新的工艺逐渐被煤矿企业应用到注浆加固、防灭火等领域，L型长钻孔主要利用成熟的定向钻进技术，先施工一段垂直钻孔，施工至目标区域附近后施工一段近水平钻孔，保证近水平钻孔或终孔位置处于目标区域内，然后直接进行工艺操作，具有流量大、管路短、施工制约因素少、 便于管理等优点[16-22]。鉴于上述优点，该矿对采用地面L型钻孔抽采工作面裂隙带瓦斯缓解低位采空区抽采巷负担，消除安全隐患进行了探索。

3　实践探索

本次地面L型钻孔治理效果探索以8214工作面为实践对象，从8216工作面地面开孔，垂直施工60 m后，倾斜施工至8214工作面，最后施工近水平钻孔将其控制在顶板裂缝带内，裂缝带高度暂按采煤高度3～5倍计算，距煤层顶板高度约为42.55～85.72 m，钻孔总长866.5 m，近水平钻孔长为206 m，钻孔具体参数如图3所示[21]。L型钻孔配套设备为区域泵站内2台额定流量为130 m3/min 的2BEY42型水环泵(1用1备)，和1趟DN300 mm抽采管路。矿井建有地面注浆、注氮系统、束管监测系统，工作面回采时，除日常对采空区CO，CH4等气体进行监测外，还采取采空区注氮(2趟系统每趟注氮量2 000 m3/h，注氮量根据监测数据灵活调整)，工作面喷洒阻化剂等综合防灭火措施，采空区注氮量大于钻孔瓦斯抽出量，不仅能够填补采空区瓦斯被抽采后空间，还能降低O2浓度，防止采空区遗煤自燃。

4　结果分析

8214工作面L型钻孔施工完成后，当回采工作面推进至距近水平钻孔终孔位置10 m左右范围时，启动L型钻孔抽采系统，整个抽采过程经历了初始阶段、稳定阶段、收尾阶段。为方便讨论，排除设备故障、钻孔阻塞、回采结束等因素影响，以稳定阶段上隅角浓度及不采取辅助抽采措施情况下低位采空区抽采巷浓度为考察参数与未采用该措施前进行对比分析。

从图4可以看出，布置在8124工作面煤层顶板冒落带内的低位采空区抽采巷，能够针对其开采特厚煤层，放煤瞬间瓦斯涌出量大，涌出速度快的特点，通过人为在冒落带制造一条瓦斯流动渠道，直接抽采冒落带瓦斯，引流放煤涌出瓦斯，大量减少流向工作面瓦斯，使得工作面上隅角瓦斯平均浓度控制在0.52%左右，保证了工作面安全连续生产；但是由于其抽采层位较低，工作面漏风严重，抽采巷内抽采瓦斯平均浓度约为4.43%，存在一定的安全隐患。

图5　地面L型钻孔使用后上隅角、抽采巷瓦斯浓度Fig.5　The gas concentration of upper corner and drainage tunnel after using ground L drill

从图5可以看出，使用地面L型钻孔抽采后，工作面上隅角、抽采巷内瓦斯平均浓度分别为0.44%，3.37%，抽采钻孔内平均瓦斯浓度为19.19%；通过对比图5与图6可知，地面L型钻孔抽采后工作面上隅角平均瓦斯浓度降低了0.08%，低位采空区抽采巷内瓦斯平均浓度降低了1.06%，说明采用地面L型钻孔抽采法能够一定程度上缓解低位采空区抽采巷的抽采负担，减小其安全风险。通过分析可知，受煤层采动影响，在其范围内的岩体压力平衡被破坏，发生下沉、膨胀变形，产生离层裂隙和竖向破断裂隙，煤岩体内游离瓦斯通过裂隙在浮力作用下最终汇聚在煤层顶板裂隙带内[6]，而地面L型钻孔近水平段层位控制在储存有高浓度瓦斯的裂隙带内，因此抽采浓度较高；由于地面L型钻孔抽采作用，冒落带部分瓦斯会流向L型钻孔，减少了抽采巷部分抽采负担，另外地面L型钻孔近水平段位于低位采空区抽采巷上部，抽采巷内也会有小部分瓦斯通过岩石缝隙流向L型钻孔，因此在地面L型钻孔抽采时，抽采巷内瓦斯浓度会减小；同理，由于地面L型钻孔抽采部分高浓度瓦斯，工作面上隅角瓦斯浓度也相应减少，但由于层位较远对工作面上隅角影响相对较小。

由于此次探索实践的地面L型钻孔近水平段裸孔直径为216 mm，套管直径为150 mm，孔径较小，加之抽采泵额定流量较小，抽采能力有限，在一定程度上限制了地面L钻孔治理效果的发挥；由于受到施工成本、施工设备、现场实际等因素制约，未对大直径L钻孔的治理效果进一步考察，不过可以预测如采用较大直径钻孔，配套大能力抽采泵，L钻孔对抽采巷抽采负担减轻，安全隐患消除的作用将更加明显。

5　结论

1)采用以大直径、大流量、低负压为特点的低位采空区抽采巷抽采法，能有效治理特厚煤层大采高综放工作面瓦斯问题。

2)地面L型钻孔抽采裂隙带瓦斯能够有效缓解低位采空区抽采巷抽采负担，使其瓦斯平均浓度由4.43%降低为3.37%，降低了24%。

3)随着定向钻探技术的发展，在厚及特厚煤层开采过程中，采用大直径地面L型钻孔及大直径地面垂直钻孔治理工作面瓦斯问题将成为煤炭行业发展趋势。

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