西铭矿42206工作面高位钻孔合理层位选择

赵文曙

(西山煤电股份公司 西铭矿，山西 太原 030052)

随着煤矿开采的高效化与安全化要求日益提高，为有效避免矿井瓦斯事故，必须对矿井瓦斯进行有效预防与控制[1]。在工作面推进过程中，受到本煤层采空区与邻近煤层瓦斯涌入的影响，工作面上隅角瓦斯浓度超限造成煤矿瓦斯事故占所有煤矿瓦斯事故的85%[2]，因此，必须对回采工作面上隅角瓦斯积聚现象进行有效处理。现有的降低工作面上隅角瓦斯浓度的方法主要为抽采法与排风法[3]。由于排风法对工作面瓦斯的处理能力较低，对工作地点要求比较苛刻，故常用抽采法。工作面瓦斯抽采主要措施为高抽巷或高位钻孔抽采采空区和邻近层瓦斯以及本煤层瓦斯抽采。高抽巷抽采能力大，对瓦斯的抽采效果好，但对工作面地质条件要求高、施工难度大，在矿井瓦斯含量不是过大的煤层中，经济效益不明显。高位钻孔抽采法是利用回采工作面上方“裂隙带”岩层，抽采对象为工作面上覆围岩与后方采空区，通过钻孔抽采，形成瓦斯吸附“漏斗”截断工作面邻近煤层与采空区的瓦斯逸散路径，彻底解决工作面上隅角瓦斯积聚与工作面回风巷瓦斯超限问题。这种方法施工简单、见效快、成本低。若条件允许，对工作面高位钻孔抽采参数进行合理规划与设计，其抽采效果较高抽巷更为明显。万军、童晨晨等[3-4]利用数值模拟方法，对平煤一矿与野川矿工作面裂隙带高度与瓦斯钻孔布置参数进行了优化，得出了两个矿井的最优高位钻孔参数。

本文结合西铭矿42206综采工作面的地质条件，采用经验公式和实测回归方程，求取工作面上方垮落带与裂隙带高度，以此确定高位钻孔的合理布置层位，为工作面瓦斯抽采设计提供依据。

1 工作面地质条件

西铭矿42206综采工作面位于西十二采区左翼，东为42020、42018采空区，南为42208采空区，西邻西十二左翼回风巷，北为42204工作面(设计)。工作面走向长度687 m，倾斜长度为201 m，设计工业储量330 580 t，可采储量302 165 t，预计日产量3 000 t。目前开采2号煤层，煤层结构简单，局部节理发育，煤层厚度1.60～2.50 m，平均2.25 m，属稳定煤层。下覆3号煤尚未开采。工作面通风方式为“U”通风。煤层顶底板情况见表1。从工作面坑透CT成像分析成果图中可以看出，42206工作面开采范围内，未见坑透异常区，工作面地质与水文地质条件简单。结合2号煤层其他工作面瓦斯涌出情况，42206工作面瓦斯来源主要是2号本煤层的瓦斯及上邻近层的瓦斯。

表1 煤层顶底板情况

2 高位钻孔合理层位的选择

通常认为瓦斯运移的通道主要是工作面回采过程中引起的上覆岩层的垮落、破坏裂隙空间。工作面上覆岩层根据垮落与变形形式分为：垮落带、裂隙带与弯曲下沉带，其中垮落带与裂隙带共同导通了煤层瓦斯运移路径，为工作面瓦斯积聚提供了主要条件，故此，工作面高位钻孔必须能够对工作面上方的裂隙带中的瓦斯进行有效控制。

2.1 经验计算方法[5]

基于我国煤矿的开采经验，结合本工作面上覆岩岩性，工作面上覆岩层垮落带与裂隙带计算见式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：Hm为工作面上覆岩层垮落带高度，m；Hi为工作面上覆岩层裂隙带高度，m；∑d为煤层等价采高，取2.25 m。

计算可得工作面垮落带最大高度为9.8 m，裂隙带最大高度为36.85 m。

2.2 实测回归公式[6]

北京煤科总院结合我国综采工作面上覆岩层“三带”高度的诸多现场实测统计，采用回归公式拟合法，得出了综采条件下的垮落带高度与裂隙带高度的计算公式，见式(3)、(4)。

Hm=-27.29x2+337.305x-610.52

(3)

Hi=-222.41x2+2 609.05x-4 707.38

(4)

式中：Hm为工作面上覆岩层垮落带高度，m；Hi为工作面上覆岩层裂隙带高度，m；x为工作面采高，取2.25 m。

计算可得工作面垮落带最大高度为10.26 m，裂隙带最大高度为37.03 m。

2.3 裂采比估算法[6]

结合表1，可知工作面覆岩岩性较为坚硬，本工作面的顶板属于中等坚硬类型，顶板裂隙带发育为12～15倍采高，即裂隙带最高为33.75 m。

综合以上计算，同时考虑一定的富余量，确定42206工作面上覆岩层裂隙带高度为38 m。则设计的高位钻孔的孔底应处于工作面上方38 m处，以达到工作面裂隙带的最上部。

3 高位裂隙钻孔设计

根据回采时的通风系统，钻场在胶带巷布置。1号钻场从切眼向外30 m处开始施工，钻场间距15 m，1号钻场布置8个孔，2号～41号钻场布置4个孔，钻孔开孔位置在巷道顶、帮交界处成扇形布置。钻孔施工倾角分别为50°、60°、70°以及80°，则钻孔深度分别为50 m、44 m、41 m以及39 m。共设计钻场41个，钻孔168个，钻孔总进尺7 134 m。预计抽采量4 m3/min，钻孔布置见图1。

图1 42206工作面顶板走向钻孔布置

4 抽采效果

通过在42206工作面胶带巷布置高位钻孔抽采邻近层瓦斯，加之在工作面两巷布置顺层钻孔抽采本煤层瓦斯。经现场实测，42206回采工作面瓦斯涌出量为21.12 m3/min，回采工作面瓦斯抽采量为10.1 m3/min，回采工作面风排瓦斯量为11.02 m3/min，回采工作面瓦斯抽采率为47.8%。说明西铭矿42206工作面瓦斯抽采效果较好，高位钻孔设计合理。

5 结 语

为解决西铭矿42206综采工作面上隅角瓦斯积聚问题，彻底消除瓦斯通过工作面上覆岩层的“垮落带”、“裂隙带”为运移通道进入工作面。通过分析工作面瓦斯来源，确定采用高位钻孔抽采上邻近层瓦斯，运用经验公式和实测回归方程工程计算出42206工作面上覆“裂隙带”最大高度为38 m，结合“裂隙带”计算结果，设计了工作面高位裂隙钻孔布置方案，加之工作面本煤层顺层钻孔抽采，现场应用后经测定，工作面瓦斯抽采率为47.8%。说明高位钻孔层位选择合理，瓦斯抽采效果较好，有效保障了42206综采工作面的安全高效回采，取得了良好的经济和安全效益，为其他类似矿井提供了借鉴。