主焦煤矿高位抽采问题探讨

贾 佳，王奕博，杨志忠，刘 帅，李文福

(安阳市主焦煤业有限责任公司，河南 安阳 455000)

0 引言

由于采空区瓦斯自身的升浮、扩散特性，以及工作面漏风的客观存在、工作面风流流动特性等原因，采空区瓦斯会在工作面上隅角处局部积聚。同时因为工作面开采移架后上覆岩层的垮落，会形成一条可供瓦斯扩散积聚的离层间隙带。因此，对采用高位钻孔抽采采空区瓦斯的抽采方式而言，弄清楚离层裂隙带的发育区域分布情况从而确定合理的抽采设计参数显得尤为重要。在对于采空区离层间隙的分布位置的研究中，大多采用Fluent软件通过对流速、瓦斯浓度、氧气浓度的分布进行模拟，从而间接的确定其分布位置。但弊端为由于采空区自身的复杂性，以及模拟时所设置前提条件的理想化，从而导致在指导现场施工时往往达不到预期效果[1-6]。因此，文中以关键层理论，O型圈理论，采动裂隙椭抛带理论为理论支撑，以现场抽采数据为比对依据，对主焦煤矿2308工作面高位抽采效果进行分析，从而给出该煤矿高位钻孔抽采参数的优化建议。

1 工作面概述

主焦煤矿2308工作面位于23采区北翼最下部，采用U型通风系统。进、回风顺槽沿煤层底板布置，采用36 U型钢棚支护，工作面采用ZF2400-16/24型液压支架支护，上、下端头采用ZFG2400-16/24型过渡支架支护。工作面采高为2.2 m，平均走向长度678.8 m，工作面平均倾斜长度140.3 m，煤层厚度平均6.0 m，工作面平均倾角为14°。回采期工作面绝对瓦斯涌出量4.2 m3/min，煤尘具有爆炸性，爆炸指数为19.26%，煤层自燃倾向性为Ⅲ类不易自燃，无冲击地压危害，周期来压步距14 m，矿压显现不明显。现采用高位抽采和上隅角插管的方式共同治理采空区瓦斯，以防止上隅角瓦斯浓度超限。

2 高位钻孔抽采最终孔区域理论分析

根据钱鸣高院士提出的“关键层”理论[7]，综放工作面在移架放顶后，上覆岩直接顶随顶煤的放落而垮落，但总会有一层较为坚硬的岩层可以阻止岩层的继续垮落，因此可将这一岩层(老顶)称为采空区上覆岩的关键层。在该理论的支持下，结合上覆岩层受到采动影响的应力作用，可将上覆岩层划分为冒落带、裂隙带，以及弯曲下沉带三带。同时考虑到其关键层岩层断裂的“O-X”特性、顶板周期来压的应力作用，以及四周煤壁的支撑影响作用，在采空区内部形成了一种“O”型的瓦斯流动通道，如图1所示。

图1 采空区O型圈示意

从图1中可以看出，采空区中部由于上覆岩层的垮落较为充分，瓦斯在这个区域内难以流动，采空区漏风主要在采空区近回风侧的半圆拱形的初垮空间内流动。因此，在针对实际工程需要的情况下，高位钻孔抽采的钻孔终孔点位置大多布置在采空区近回风隅角一侧，通过降低风流中瓦斯含量，以及影响风流流场的局部流态的方式，达到控制上隅角瓦斯浓度的作用。但由于“O”型圈理论所呈现采空区二维空间的局限性，李树刚等[8]通过对大批煤矿现场观测以及进行相似模拟试验，得出了采空区三维空间内的上覆岩层中内外椭抛带之间形成的帽状采动断裂带，如图2所示。

图2 采空区椭抛带示意

由图2可知，由内外椭抛面所构成的椭抛带为采空区瓦斯的密集区域，其分布结合我国学者的基于三维“O”型圈的采空区风流流场、瓦斯浓度梯度场模拟结果可知[9-11]，瓦斯流动随采空区沿走向深度的不断加深而逐渐减弱，并趋于稳态；瓦斯浓度随采空区沿走向深度的不断加深而逐渐升高，并达到极值。同时结合上文的分析可以得出，采空区高位抽采的最佳区域应为采空区近回风侧的拱形区域内。该区域的特点是以工作面上隅处为起点，沿工作面倾向垂距逐渐升高，沿工作面倾向走向距逐渐降低。

3 主焦煤矿高位钻场抽采数据分析

3.1 钻场的施工布置

主焦煤矿采用高位钻孔抽采的方式治理2308工作面的采空区瓦斯，其设计方式为每隔60 m设置一个高位钻场，钻场内共设计18个钻孔，采用8个钻孔为一排，共分3排布置的方式。通过前期试钻观测抽采效果的方式得到采空区冒落带上顶高度为8～10 m，裂隙带上顶高度为35～50 m，钻孔有效抽采半径约5 m。由此设计距开孔点最大垂距为30 m，距回风巷里帮最大水平距为30 m，钻孔布置示意图，如图3所示。

由图3可知，主焦煤矿利用每排奇数孔垂距25 m，偶数孔垂距30 m的方式，在5#钻场抽采失效后，由6#钻场的18个钻孔接力抽采，钻孔两两交错，以保证钻孔间互不干扰，立体式抽采采空区瓦斯，其钻场钻孔施工布置示意图，如图4所示。

图4 钻场钻孔施工布置示意

图3 高位钻场布置示意

3.2 钻场抽采数据分析

通过利用便携式光学瓦斯浓度测量仪每天对钻场内18个孔进行逐个测量，并将收集到的数据进行处理，得1#～18#钻孔瓦斯浓度随工作面日推进度的变化曲线图，如图5所示，其中工作面日推进速度为1.8 m/d，并记X为6#高位钻场与上隅角之间的水平距离。

由图5可知，在6#高位钻孔接力抽采后，其5#、6#、11#、12#、15#、16#钻孔抽采浓度整体较高，基本分布在30%～60%区域内，证明这6个钻孔抽采效果良好。观察图5(a)可知，这6个钻孔终孔点皆位于距上隅角沿工作面方向24～30 m的距离内。这一实测结果与上一节理论分析中的采空区中部裂隙发育程度高与采空区近煤壁两侧的结论相印证。同时测量并整理在x=48 m、43 m、38 m、33 m时的上隅角瓦斯浓度，抽采纯量的变化曲线图，如图6所示。

图5 1#～18#钻孔瓦斯浓度变化

观察图6，随着工作面的不断推进，抽采纯量呈现一段先增大，继而平缓，随后升高的趋势，上隅角瓦斯浓度先降低，继而在约x=43 m处往后的位置进行较为稳定的波动性变化。结合6#高位钻场设计中钻孔终孔点控制区域的分析，可知：当x值较大时，1#～6#钻孔终孔点位于采空区裂隙中的瓦斯高浓度聚集区域内，但此处距离工作面走向距离较远，结合同期观测到的抽采负压异常升高的情况，此区域工作面漏风量较少，对采空区漏风流中的瓦斯含量影响较低，同时7#～18#钻孔终孔点位于采空区初冒及过渡发育区域，此处裂隙发育尚不成熟，造成此处抽采效果较差，从而共同导致了上隅角瓦斯浓度偏高的现象；当x值较小时，钻孔终孔点垂距降低，11#、12#、15#、16#钻孔位于裂隙发育较好的采空区采动影响区域内，此区域工作面漏风活动较为活跃，漏风流中的瓦斯由抽采钻孔处引排并得以稀释，上隅角瓦斯浓度得到了有效控制。

图6 不同x值时瓦斯抽采数据变化曲线

综上所述，对于主焦煤矿2308工作面而言，在距离上隅角较近的采空区立体垮落区域内。高位抽放效果较差，可分为2个阶段进行分析：第1阶段，采空区上覆岩初垮后，裂隙发育尚不成熟，1#～4#，7#～10#钻孔仍能抽到游离并聚集在裂隙带内的瓦斯，但由于工作面漏风在此处流动较不活跃，钻孔抽采对采空区漏风流中的瓦斯稀释能力较弱；第2阶段，伴随着工作面推进，钻孔终孔高度随着上覆岩的垮落而降低，但仍处于裂隙带区域内，由于裂隙的不连贯性发育，导致抽采钻孔出现了不规则的抽采瓦斯浓度升高或降低的现象，但仍由于采空区漏风活动规律的缘故，对采空区漏风流中的瓦斯稀释能力较弱。同理，距上隅角较远的采空区立体垮落区域内，裂隙发育较为成熟，形成了一条较为完整的漏风通道[12]，抽采浓度较高，对采空区漏风流中的瓦斯稀释能力较强，这区域结合实测数据可知为沿工作面倾向距上隅角24～30 m的范围内。

4 结论

(1)通过比对不同高位钻场距上隅角水平距离下1#～18#钻孔的抽采瓦斯浓度数据后，并结合对采空区椭抛带的理论分析，可知主焦煤矿2308工作面的高位钻场最佳抽采区域应为沿工作面倾向距上隅角24～30 m的范围内。后期可通过调整钻孔终孔位置、密集度，调节抽采流量等方式对2308工作面的采空区瓦斯治理工作进行优化。

(2)通过结合钻孔设计，以及在不同工作面推进度时抽采纯量与上隅角瓦斯浓度的变化曲线分析，对其中的变化规律进行了逻辑解释，并得到高位钻场在实际施工及后续检测时，应注重对工作面漏风的流动区域，采空区裂隙的发育空间规律，以及顶板的冒落动态变化进行综合分析，以达到在实际生产中有效地进行动态治理。