邻近层瓦斯高低位钻孔和迎向钻孔抽采效果分析

李炎涛

(山西煤炭运销集团阳泉有限公司，山西 阳泉 045000)

随着煤炭开采技术的不断发展，煤矿井下开采深度不断增加，规模也越来越大，瓦斯灾害事故也逐渐增多。阳泉矿区位于山西省沁水煤田的东北部，是全国瓦斯最大也是最难进行瓦斯抽采的矿井之一，走向北北东，向西南方向倾斜[1-2]，区域地质构造主要为一级褶曲和断裂构造，局部喀斯特熔岩现象较发育。近几年来，阳泉矿区曾多次发生瓦斯事故，瓦斯已经成为制约矿区生产的主要不安全因素，而瓦斯抽放是防治瓦斯事故的根本措施[3]。

采用高低位钻孔和迎向钻孔是煤层临近层瓦斯抽采的主要方式，然而，对于阳泉矿区，这三种方式各自的适用性目前未见报道。因此，本文主要针对上社煤矿9号煤层邻近层瓦斯，采用高低位钻孔和迎向钻孔进行邻近层瓦斯抽采效果进行分析。分析结果对于阳泉矿区瓦斯抽放系统布置具有重要意义。

1 矿井概况

上社煤矿井田位于阳泉市盂县南娄镇北上社村南，距县城西南12 km，地处沁水煤田北部，行政区划大部属南娄镇管辖。矿井井田面积12.464 km2，批准开采5～15号煤层，生产规模2.10 Mt/a，开采深度为标高+1 079.97～+679.97 m。9号煤层工作面设计长度160 m，采高3.0 m，采用综合机械化走向长壁后退式采煤工艺，工作面一次性采全高，全部垮落法管理顶板。9号煤层的主要邻近层有1号、2号、3号、5号、6号、8号、12号、13号、15号煤层，其中12号、15号煤层为下邻近层，其余为上邻近层。煤层特征如表1所示。

2 邻近层抽采方法选择

上社煤矿9号煤层工作面回采后垮落带最大发育高度约为10 m，裂隙带最大发育高度为40～46.9 m，位于垮落带和裂隙带内的煤层有3号、5号、6号、8号煤层，3号煤层则位于裂隙带与弯曲下沉带的过渡区内。12号煤层底板受采动影响不大，只有少量的裂隙出现。9号煤层工作面回采过程中，对工作面瓦斯涌出影响较大的是5号、6号、和8号煤层等上邻近层，其下邻近层如12号煤层的卸压瓦斯对工作面瓦斯涌出影响不大。上邻近层卸压瓦斯抽采巷方法主要有井下钻孔抽采、井下巷道抽采和地面钻井抽采三种。根据上社煤矿的实际情况以及阳泉矿区临近矿井瓦斯抽采情况，采用井下钻孔抽采方法，即采用高低位钻孔结合回风迎向钻孔方式对邻近层进行抽采。

3 邻近层瓦斯综合抽采钻孔布置

3.1 瓦斯抽采巷钻孔布置工艺

9号煤9308工作面为矿井西区第一个靠近边界的综采工作面，回风与进风双巷掘进，9308工作面回风巷道和9308瓦斯抽采巷间煤柱为25 m，且之间每100 m有一横贯。工作面长度159 m，可采长度1 626 m，采高平均为3 m。综采工作面回采期间采用“U+U”型通风方式，运输巷道作为进风巷，回风巷道为回风巷道(回风巷)，另布置有瓦斯抽采巷，专门抽采瓦斯，三巷均沿煤层底板布置，为半煤岩巷道。9308采用U型通风方式，工作面配风量为2 100 m3/min。9308工作面钻孔为上邻近层钻孔，其中高、低位钻孔开口设在瓦斯抽采巷，回风巷道迎向钻孔布置在回风巷道钻场。9308工作面回风巷道和瓦斯抽采巷抽采钻孔布置示意，如图1所示。

表1 煤层特征一览

3.2 瓦斯抽采巷高、低位瓦斯抽采巷钻孔布置参数

在9308工作面瓦斯抽采巷布置高位钻孔时，层位打到5号煤上部0.7～11.7 m，从切巷处开始往西12 m处开始打1号钻孔，依次向西布置钻孔，高位钻孔的间距定为15 m，钻孔直径200 mm，开孔位置距顶板0.2～0.3 m，施工高位钻孔68个，计划工程量4 148 m。每个钻孔均穿过5号煤层，达到灰色细砂岩。低位孔终孔层位打到8号煤层顶板砂质泥岩，从距开切眼20 m处开始打1号孔，钻孔间距15 m，低位钻孔长度为50 m，计划工程量3 400 m。钻孔均为仰角钻孔，钻孔仰角按式(1)计算，即：

(1)

式中：α为钻孔处煤层倾角，°；β为钻孔仰角，°；h为开采层距邻近层的垂高，9号煤层与5号煤层顶板间距取28.6 m；a为钻孔深入工作面的距离，钻孔深入距离取20 m；b为隔离煤柱宽度，隔离煤柱取25 m。

3.3 回风巷道迎向钻孔布置参数

9308工作面回风巷道共布置326个迎向抽采钻孔，钻孔均指向回风隅角方向施工，钻孔终孔间距为15 m，钻孔终孔点选择在9号煤层顶板以上22 m位置，伸入工作面的长度为13 m。

图1 9308工作面瓦斯抽采巷抽采钻孔布置示意

3.4 钻孔施工及封孔

所有钻孔均使用ZDY3200S型煤矿用坑道钻机，用D193 mm钻头开孔，然后用D193 mm钻头钻进。封孔选用QB(FKMB-500)瓦斯钻孔封孔密闭填充剂封孔。瓦斯钻孔封孔密闭填充剂封孔，要求“严、紧、密”，确保瓦斯抽采时不漏气。9308瓦斯抽采巷和9308回风巷道内各铺设一趟D380 mm瓦斯抽采巷管。

4 邻近层瓦斯抽采效果考察

9308工作面于2018年1月初开始初采，通过统计2018年2月1日至2018年8月30日9308工作面瓦斯抽采巷高位钻孔、瓦斯抽采巷低位钻孔以及回风巷道钻场钻孔的抽采负压、混合流量、瓦斯浓度和纯瓦斯流量数据，分别得出了9308工作面瓦斯抽采巷高位钻孔、瓦斯抽采巷低位钻孔以及回风巷道钻场钻孔抽采混合流量、抽采瓦斯浓度、抽采纯瓦斯流量、单孔平均抽采混合流量、单孔平均抽采纯瓦斯流量与抽采时间(从2018年2月1日起)的关系，如图2至图6所示，并通过上述关系分析9308工作面瓦斯抽采巷高位钻孔、瓦斯抽采巷低位钻孔、回风巷道钻场钻孔以及整体的抽采效果。

图2 总混合流量与抽采时间关系曲线

4.1 总混合流量与抽采时间的关系

1) 从图2中可以看出，在前43 d(2018年2月1日至2018年4月13日)这段时间各抽采指标的波动比较大，之后开始趋于稳定或有规律的变化。因此将前43 d这段时间称之为抽采波动期，之后的时间称之为抽采稳定期。

图3 浓度与抽采时间关系曲线

2) 在抽采波动期抽采总混合流量并不稳定，其中瓦斯抽采巷低位钻孔的总混合流量波动最为显著，瓦斯抽采巷高位钻孔的总混合流量波动最小。在此期间，瓦斯抽采巷低位钻孔的总混合流量最高，回风巷道钻场钻孔次之，瓦斯抽采巷高位钻孔最低。这是因为8号煤层层位低，受采动影响快，煤层瓦斯迅速解吸。而6号煤层和5号煤层层位较高，受采动影响的时间较晚。原因是在回采初期，5号、6号煤层的卸压并不充分，只有少量瓦斯解吸，因此瓦斯抽采巷高位钻孔能抽出的瓦斯量较少。在抽采波动期瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的瓦斯大部分应该是属于8号煤层的。

3) 在抽采正常期，各类钻孔抽采的总混合量都逐渐上升，其中瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总混合流量上升最为明显，其由第33 d的20 m3/min提高至第210 d的92.1 m3/min。瓦斯抽采巷低位钻孔抽采的总混合量由第43 d的24.5 m3/min提高至第217 d的64.2 m3/min。瓦斯抽采巷低位钻孔和高位钻孔抽采的总混合流量在第217 d后开始下降。回风巷道钻场钻孔抽采的总混合流量则由第43 d的25.8 m3/min提高至第144 d的59.2 m3/min，之后则开始下降并趋于稳定。

4) 抽采120 d之后，瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总混合流量明显高于瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔，说明此时高位的5号、6号煤层已充分卸压，大量的卸压瓦斯解吸出来之后储存在周围的裂隙中。由于5号、6号煤层层位高，同时6号煤层与8号煤层层间距为11 m，因此5号、6号煤层的卸压瓦斯短时间内不会向下运移到8号煤层，所以5号煤层的卸压瓦斯大部分被瓦斯抽采巷高位钻孔抽出，且其浓度较高。而6号、8号煤层与9号煤层层间距小，周围岩层受9号煤层工作面采动影响显著，采动裂隙大量发育，这些裂隙将6号、8号煤层与和9号煤层工作面的采空区沟通。由于6号、8号煤层周围岩层中的采动裂隙与9号煤层工作面采空区沟通，造成瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔终孔的负压值增大，8号、9号煤层周围的裂隙则相对封闭。在抽采负压无太大差别的情况下，瓦斯抽采巷高位钻孔开口与终孔之间的负压差将明显高于瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔开口与终孔之间的负压差。这就造成了瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总混合量明显比瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔高。

4.2 浓度与抽采时间的关系

1) 在抽采波动期各类钻孔抽采瓦斯的浓度波动也比较明显，其中瓦斯抽采巷高位钻孔抽采浓度的波动最为剧烈，但其抽采浓度较高。瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔抽采浓度的波动较小，但其值较小，只有约20%。

2) 进入抽采稳定期后，瓦斯抽采巷高位钻孔的抽采浓度逐渐从35.1%提高至80.2%。在第78 d之后虽然瓦斯抽采巷高位钻孔的抽采浓度有所下降并呈有规律的波动状态，但总体上其抽采浓度都稳定在60%以上。第198 d之后瓦斯抽采巷高位钻孔的抽采浓度开始下降。

3) 进入抽采稳定期后，瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的抽采浓度则呈现两阶段的发展态势。第一阶段为从第43 d至第84 d，期间瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的抽采浓度比较低，只有10%～20%。第二阶段为从84 d之后，瓦斯抽采巷低位钻孔的抽采浓度先上升后缓慢下降，回风巷道钻场钻孔的抽采浓度则呈波浪式上升，浓度从9.6%上升至51%。

4) 瓦斯抽采巷高位钻孔的抽采浓度明显高于瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔，这也是瓦斯抽采巷高位钻孔终孔层位较高，瓦斯抽采巷高位钻孔终孔周围裂隙的封闭性较好，并未与9号煤层工作面采空区明显沟通，保证了钻孔开口与终孔之间的负压差，这才能抽出高浓度的瓦斯。而瓦斯抽采巷低位钻孔与回风巷道钻场钻孔终孔层位低，终孔周围裂隙与9号煤层工作面采空区明显沟通，抽采过程中就容易混入采空区的空气而无法抽出高浓度的瓦斯。

4.3 总纯瓦斯流量与抽采时间的关系

1) 抽采波动期各类钻孔抽采的总纯瓦斯流量不稳定，呈现波动状态，其值都保持在20 m3/min以下。同时瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总纯瓦斯流量高于瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔抽采的纯瓦斯流量。

2) 进入抽采稳定期后，瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总纯瓦斯流量逐步上升。瓦斯抽采巷高位钻孔抽采的总纯瓦斯流量从第43 d的7.0 m3/min上升至第198 d的68.5 m3/min，之后则开始下降。瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场抽采的总纯瓦斯流量呈两个阶段。第一个阶段是第43 d至第84 d，期间瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的总纯瓦斯流量相对稳定，一直维持在3～4 m3/min。第二个阶段是第84 d之后，期间瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的总纯瓦斯流量开始逐渐上升。瓦斯抽采巷低位钻孔抽采的总纯瓦斯流量从第84 d的2.6 m3/min上升至第218 d的13.8 m3/min，呈稳定上升趋势，之后则开始缓慢下降。回风巷道钻场钻孔抽采的总纯瓦斯流量从第84 d日的4.5 m3/min上升至第224 d的24.6 m3/min，期间虽有波动，但总体上呈上升趋势。

图4 总纯瓦斯流量与抽采时间关系曲线

图5 单孔平均混合流量与抽采时间关系曲线

4.4 单孔平均混合流量与抽采时间的关系

在抽采波动期瓦斯抽采巷高、低位钻孔的单孔平均混合流量波动明显，而回风巷道钻场钻孔的单孔平均混合流量则很稳定，一直维持在2～3 m3/min之间。进入抽采稳定期后各类钻孔的单孔平均混合流量很稳定，只是在第64 d至第104 d之间出现过小幅上升。瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔一直保持在3～3.5 m3/min之间，而瓦斯抽采巷高位钻孔比之略高，保持在4～4.5 m3/min之间。各类钻孔的打孔平均混合流量在抽采稳定期如此稳定，说明抽采系统稳定正常，各类钻孔的抽采效率基本一致。

4.5 单孔平均纯瓦斯流量与抽采时间的关系

在抽采波动期，瓦斯抽采巷高位钻孔的单孔平均纯瓦斯流量远高于瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔，但瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的单孔平均纯瓦斯流量相差不大。进入抽采稳定期后，各类钻孔的单孔平均纯瓦斯流量随时间的变化趋势与图5中浓度与时间的变化趋势基本一致。

图6 单孔平均纯瓦斯流量与抽采时间关系曲线

5 结 语

1) 由于阳泉矿区开采9号煤层时，其瓦斯涌出量主要来源于上邻近层，其邻近层瓦斯涌出量占43%～32%以上。因此，采用邻近层抽放瓦斯方法，工作面瓦斯抽采率一般能达到50%以上。

2) 从9308工作面瓦斯抽采巷的效果考察结果来看，瓦斯抽采巷高位钻孔的抽采效果比瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的效果好，除单孔平均混合流量外，瓦斯抽采巷高位钻孔其余各项指标的值都比瓦斯抽采巷低位钻孔和回风巷道钻场钻孔的值高。