顶板走向长钻孔与高抽巷瓦斯治理技术分析

蒋 璋

(山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024)

工作面回采期间的瓦斯一直威胁着煤矿安全生产，由于开采范围、强度大，周边围岩受采动压力影响明显，同一矿井回采面瓦斯涌出量相比其他地点大，因此回采面瓦斯治理直接关系到矿井的安全高效生产，合适的瓦斯治理方式可以带来巨大的经济效益和安全效益。目前治理回采面上邻近层瓦斯长见、高效的两种方式为顶板走向长钻孔和高抽巷，两者运用的基本原理相同，但在施工工艺、适应条件、经济成本、抽采效果等方面存在差异。下面对屯兰矿2#煤层工作面运用两种方法的情况进行对比分析。

1 顶板走向长钻孔瓦斯治理技术

1.1 工作面概况

12407工作面位于南四盘区，东接南四回风补巷，西接南四盘区边界进风巷，南与头南峁断层相邻，北与12405采空区相邻。工作面回采2#煤，平均厚度为2.35 m，工作面走向长1 800 m，倾向长190 m，可采储量130.5万t.

2#煤层原始瓦斯含量最大为13.47 m3/t，经过本煤层预抽以后，2#煤层残余瓦斯含量4～5.7 m3/t,其上覆煤层为02#煤层，层间距9～10 m，下覆煤层为4#煤层，层间距9～14 m.

12407工作面采用胶带顺槽进风，轨道顺槽回风，工作面配风1 600 m3/min. 回采期间工作面回风流最大瓦斯浓度为0.4%，工作面最大风排瓦斯量为6.4 m3/min.

1.2 顶板走向长钻孔布置方式

在12407轨道巷(回风顺槽)共布置3个澳钻钻场，每个钻场布置7个定向高位长钻孔，钻孔设计长度450 m，钻孔终孔水平间距5 m，钻孔距工作面垂高控制在工作面采高的10～12倍，在20～27 m，最外缘钻孔内错轨道巷10 m，通过3个钻场接替压茬，保证工作面连续抽采，沿轨道顺槽走向钻进。钻场从工作面切眼往外依次编号为1#、2#、3#，每个钻场钻孔由里往外依次编号为1#—7#.顶板走向长钻孔布置示意图见图1.

图1 顶板走向长钻孔布置示意图

1.3 顶板走向长钻孔抽采效果分析

本次研究选1#钻场数据进行分析。正常回采期间工作面瓦斯抽采总量为12.17 m3/min，风排量为6.4 m3/min，工作面抽采率65.5%，采用本煤层、上下邻近层、采空区综合瓦斯抽采方法。顶板走向长钻孔在正常回采期间大部分时间整体浓度维持在30%左右，抽采量整体稳定在3～4 m3/min，通过对顶板走向长钻孔进行跟踪观测：在工作面未回采前澳钻单孔瓦斯浓度保持在50%～90%，单孔抽采混合量为0.09～0.16 m3/min，此时抽采浓度高、流量小的特点主要是由于极少瓦斯和空气通过煤层顶板原生裂隙和孔口段进入钻孔内导致的。当工作面推过10～20 m时，澳钻钻场瓦斯浓度开始下降，混合量开始大幅上升，尤其是3#—6#孔(垂高均在20 m)，瓦斯浓度及抽采量变化明显，单孔浓度均下降到20%～30%，单孔混合量能上升到1.0～1.5 m3/min.随工作面继续推进，1#、2#、7#孔(垂高在25～27 m)抽采效果开始显现，单孔瓦斯浓度保持在40%～50%，其单孔抽采纯量最大提高到0.76 m3/min，瓦斯抽采效果最好。由于抽采钻孔是在轨道巷开口往上爬升施工，随着工作面的进一步推进，其所有钻孔垂高逐渐降低，与采空区垮落带逐步接近，抽采钻孔浓度逐步下降，混合量不断增加，只有合理调控负压和瓦斯浓度，才能得到相对稳定的瓦斯抽采量。

2 高抽巷瓦斯治理技术

2.1 工作面概况

12501工作面位于南五盘区，西北与南五轨道巷和南五胶带巷相接，东北与南五采区相邻，东南与土地沟断层保护煤柱相接，西南与12503工作面相邻。工作面走向长度为1 750 m，倾斜长度为200 m. 工作面同样回采2#煤，平均厚度2.98 m.

工作面原始瓦斯压力为2.14 MPa，原始瓦斯含量为12.7 m3/t，煤层透气性系数为1.62 m2/MPa2·d，百米钻孔瓦斯衰减系数为0.003 1 d-1，属一般可抽采煤层。

工作面胶带顺槽进风，轨道顺槽回风，工作面配风量2 300 m3/min，回采期间工作面回风流最大瓦斯浓度为0.38%，工作面最大风排瓦斯量为8.74 m3/min.

2.2 高抽巷布置方式

12501高抽巷布置在轨道巷(回风顺槽)上方45 m，内错轨道巷21 m，高抽巷长度为730 m，服务于工作面回采中后期， 通过在巷道口预埋管封闭抽采。高抽巷布置示意图见图2.

图2 高抽巷布置示意图

2.3 高抽巷抽采效果分析

12501工作面抽采瓦斯总量为25.82 m3/min，风排瓦斯量为8.74 m3/min，工作面抽采率为75%，采用本煤层、上下邻近层、采空区综合瓦斯抽采方法，其中高抽巷在服务期间(2017年3月中旬—8月上旬)平均抽采量17.74 m3/min，占抽采总量69%，根据4—7月高抽巷现场实测数据绘制的曲线见图3,4.

图3 高抽巷4—7月瓦斯浓度走势图

图4 高抽巷4—7月瓦斯抽采量走势图

由图3,4可看出：随着工作面的正常推进，高抽巷瓦斯抽采浓度大部分时间都能稳定在30%以上，只是从6月下旬开始逐渐回落到20%上下，且最高峰时瓦斯抽采浓度已超过50%，高抽巷瓦斯抽采量相当长时间内能稳定控制在16～18 m3/min，可见高抽巷抽采效果明显。但是在对高抽巷进行高效抽采的同时，由于高抽巷抽采混合量大，抽采系统卸压严重，导致工作面轨道巷及10502工作面多条顺槽抽采点负压由原来的30.66 kPa下降到13.33 kPa. 抽采负压的降低导致本煤层瓦斯抽采量下降，部分单孔积水严重，造成抽采系统的不完善。因此，高抽巷的选择需要对矿井整个抽采系统进行考量。

3 两种方法综合对比

以上分别分析了顶板走向长钻孔瓦斯治理与高抽巷瓦斯治理的技术参数、布置方式和实践效果，下面对两种方法进行对比分析：

3.1 经济成本

山西焦煤集团公司2014年高、突矿井瓦斯治理成本测算结果：屯兰矿澳钻定向钻孔(顶板走向长钻孔由澳大利亚VLD-1000型定向钻机施工)施工平均成本为820元/m，高抽岩巷(规格3 m×3 m)施工平均成本为8 100元/m. 为了直观对比两种方法的经济成本，现统一以走向长度为1 000 m的工作面为例进行成本计算说明，施工顶板走向长钻孔，一般一个钻场设计3～7个孔，本次以7个孔为例，需要施工两组钻场，每个钻场钻孔长度为500 m，总施工进尺为7 000 m，总费用为574万元；高抽巷一般设计长度比工作面走向长度略短(工作面初采初放期间老顶垮落一般在回采20～30 m之后)，本次施工一条完整的高抽巷按980 m计算，总费用为793.8万元，两者相差219.8万元。考虑不同地域、不同地质条件、不同劳动组织方式等因素，一个工作面高抽巷的成本费用大约是顶板走向长钻孔的1.5～3倍。

3.2 施工工期

屯兰矿顶板走向长钻孔正常施工速度为70～80

m/天，按75 m计算，同样以1 000 m工作面为例，一台澳钻施工完2个钻场14个钻孔共7 000 m进尺，理论需要93.3天，再考虑期间钻机搬家等情况，大约需要100天；高抽岩巷小断面(规格3 m×3 m)一般采用炮掘方式，正常掘进速度为3～4 m/天，取3.5 m计算，施工一条980 m长的巷道大约需要280天，两者相比工期上相差接近3倍。由此可见，顶板走向长钻孔具有施工周期短的特点，可以一定程度上缓解矿井瓦斯治理与生产衔接紧张的局面。

3.3 抽采效果

通过对屯兰矿12407和12501两个工作面采用两种方法的实际抽采效果分析可知：两种方法在瓦斯抽采浓度上均能达到30%左右，保持较高的抽采浓度，但抽采量上存在较大差异，顶板走向长钻孔(7个孔)抽采总量大约3～4 m3/min，而高抽巷平均抽采量在17.7 m3/min. 因此，高抽巷抽采效果显著。

3.4 其 他

高抽巷瓦斯治理技术在施工上能实现与工作面在时间和空间上的隔离，不影响工作面正常作业；对于瓦斯利用的矿井，可以最大限度地供给瓦斯。但高抽巷瓦斯治理技术相比于顶板走向长钻孔瓦斯治理技术，矿井抽采系统整体要求较高，需要瓦斯泵具备足够的富余抽采能力，否则会影响其他地点正常抽采。

4 结 语

对比分析了两种方法的优劣势，矿井在选择任何一种瓦斯治理方法时，都必须要结合自身内在因素和外在条件进行综合考量，最终要选择一种最实用有效的方法。从根本上治理瓦斯的角度出发，对于回采时绝对瓦斯涌出量超过20 m3/min以上的工作面应当采用高抽巷的方式治理瓦斯。