综采面采空区瓦斯治理技术的研究与应用

史亮亮

（晋能控股集团晋圣公司三沟鑫都煤业，山西 晋城 048006）

综采工作面由于机械化程度高，在采动扰动诱发下，在较短的时间内大量煤炭被破碎，煤炭在极短的生产时间内被采出，周边的地层被卸压后，产生向采掘空间移动的变形，在地质演化阶段长期形成的动态应力平衡被打破，破碎煤层和围岩中释放的大量瓦斯会在短时间向采掘空间逸散，在工作面通风的作用下逐步向上隅角旋涡区积聚，这是造成综采面上隅角极易出现瓦斯超限现象的主要原因[1-2]。为解决此类问题，普遍采用采空区埋管方法来解决，但采空区埋管影响区域有限，抽采效果较差，给矿井安全生产带来巨大隐患[3]。顶板高位钻孔是解决综采面采空区瓦斯的有效手段，但如何提高采空区封闭区和顶板裂隙带瓦斯是采空区瓦斯治理的关键[4-5]。

顶板高位钻孔是解决综采面生产期间瓦斯大量涌出的主要方法之一，赵建国[6]等分析了顶板高位定向钻孔的技术优势，针对现有施工的技术问题，对施工提出了改进建议。郝光生[7]、李胜[8]、赵会波[9]等对顶板高位钻孔的层位进行了分析，确定了在合理的垂直层位和水平层位条件下，能达到最理想的抽采效果。程志恒[10]等对顶板高位钻孔的高效抽采机理进行了研究，揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制。王雪瑞[11]等通过分析钻孔布置方式对应的抽采瓦斯浓度变化，提出了高位钻孔布置参数优化方案。向真才[12]针对工作面瓦斯大量涌出实际，提出了采空区顶板高位钻孔抽采参数的设计及优化。但在诸多研究中，针对顶板高位钻孔在工作面采中和采后的抽采效果研究相对较少。为此开展了相关研究，以期为该技术的推广应用提供参考依据。

1 裂隙带瓦斯富集规律

由于开采扰动的破坏作用，大量吸附态甲烷气以“解吸—扩散—渗流”的形式转化为游离态甲烷气体。大量溶解态甲烷在大气重力作用下“升浮”到综采工作面顶板，由于煤层开挖所形成的空洞造成上覆岩层重力挤压伪顶、直接顶，伪顶垮落、掉落至采空区，直接顶形成向下垮落的横向和纵向裂隙，直接顶板大量裂缝发育并进入采空区。工作面煤体在采动影响下会造成煤体破碎，围岩和邻近煤层因应力释放形成裂隙空间，大量处于原始应力状态下的瓦斯气体向采掘空间运移，进而向上方的裂隙空间积聚。

形成的裂隙带存在横向和纵向两种形态的裂隙结构，纵向裂隙是游离态甲烷向上部运移的通道。横向裂隙是弯曲带的下部边界，上部的岩层逐步趋于稳定。游离态甲烷气体运移至横向裂隙时，由于纵向裂隙尚未发育，导致无法进一步向上部岩层移动，形成了以裂隙带为瓦斯富集的集中区域。顶板裂隙带钻孔布置示意图如图1 所示。

图1 综采面裂隙瓦斯富集区示意图

2 顶板高位钻孔抽采

2.1 顶板高位钻孔设计

顶板高位钻孔一般在工作面圈定后及工作面回采前1 个月左右施工完毕，应主要考虑生产的衔接情况及钻孔能有效发挥最大的抽采效益。采用VLD-1000型定向千米钻机，施工的钻孔长度达到150～250 m，钻场间距400 m。以成庄矿4318 综采面为例，其工作面的倾向长度为1 200 m，在工作面回风巷内设置了3 个钻场，每个钻场施工4 个顶板高位钻孔，钻孔倾角为3°，缓慢向上钻进，施工至顶板上方50 m左右后沿工作面推进方向水平钻进。顶板的层位参考郝光生[7]等的研究结论。成庄矿4318 工作面的顶板高位钻孔布置图如图2 所示。

图2 4318 工作面采空区高位钻孔施工示意图

2.2 顶板高位钻孔抽采效果考察

为考察定向高位钻孔的抽采效果，对不同钻孔推过前后瓦斯浓度（瓦斯体积分数，全文相同）和流量变化情况进行测定，本文取比较典型的2 个钻孔的变化曲线，以说明高位钻孔的抽放效果。4318 工作面1 号钻孔浓度、纯量变化曲线如图3 所示。

从图3 可以看出，工作面在推进22 m 后，顶板垮塌形成裂隙，开始有流量，瓦斯初始浓度达到60%左右，随着工作面向前推进，瓦斯混量增加到7m3/min，浓度保持在50%左右，抽采的纯瓦斯量达到3.5 m3/min，且可保持工作面安全推进180 m 以上。实践证明，顶板高位钻孔可作为倾向钻孔抽采空区瓦斯。

4318 工作面2 号钻孔浓度、纯量变化曲线如图4 所示。

图4 4318 工作面2 号钻孔浓度、纯量变化曲线

从图4 可以看出，工作面在推进42 m 后，高位钻孔开始有流量，浓度达到60%左右，随着工作面逐步推进，流量增加到6 m3/min，且浓度保持在50%左右，可抽3 m3/min 瓦斯，且能保持160 m 的推进度，后期顶板垮落稳定，瓦斯抽采纯量保持在1 m3/min左右。

318 工作面吨煤瓦斯涌出量与高位钻孔抽采量关系如图5 所示。

图5 4318 工作面吨煤瓦斯涌出量与高位钻孔抽采量关系

从图5 可以看出，高位钻孔抽采时，工作面吨煤瓦斯涌出量逐步下降，钻孔抽采量与工作面涌出量呈现一定的反相关关系，由最初的3.5 m3/min 降低至2 m3/min，下降幅度达到42%。

通过对4318 综采面高位钻孔的抽采效果来看，工作面吨煤瓦斯涌出量与钻孔抽采量随工作面的推进进度呈现较明显的规律性变化趋势。总体来看，高位钻孔的初始抽采阶段，抽采量较低，工作面的吨煤瓦斯涌出量较高，说明工作面煤体和周边围岩裂隙涌出的大量瓦斯释放至采掘空间，主要由通风排出。在工作面回采推进至200 m 后，高位钻孔抽采量迅速增大，大量瓦斯由顶板高位钻孔抽出，直接使得工作面采掘空间内释放的瓦斯量降低。

2.3 回采结束后采空区高位钻孔抽放

在老采空区内，由于遗留落煤及周边围岩和邻近煤层因应力释放等原因，在封闭的采空区内会积存大量瓦斯，会给邻近正在回采的工作面或掘进工作面生产带来巨大安全隐患。以成庄矿4318 工作面为例，其邻近的4319 工作面生产时，因围岩挤压导致巷道变形，其老采空区的瓦斯会在卸流通道及压力差的作用下，向邻近的4319 工作面大量泄漏瓦斯。为此，在4318 老采空区过停产线40 m 处施工顶板高位钻孔，钻孔施工至顶板上方60 m 后进行定向抽采。钻孔布置如图6 所示，438 老采空区2 号钻孔浓度、纯量变化曲线如下页图7 所示。

图6 4318 工作面老采空区高位钻孔施工示意图

图7 438 老采空区2 号钻孔浓度、纯量变化曲线

从图7 可知，4318 老采空区施工的顶板定向高位钻孔抽采效果明显，在开始抽采阶段，抽采管内的瓦斯浓度达到80%以上，说明老采空区积存了大量瓦斯气体。经过近19 d 的抽采，管路内瓦斯浓度持续降低至25%左右，说明在抽采负压的持续作用下，老采空区的瓦斯逐步被排出。由此可以判断，老采空区遗落的煤炭在持续不断地向采空区释放瓦斯。

在4319 工作面实际生产过程中，通风风量保持在2 300 m3/min，由于邻近工作面老采空区瓦斯被抽出，上隅角瓦斯浓度稳定在0.35%以下，生产的160 d 时间内均保持在0.5%以下，有效保障了工作面的安全高效生产。

3 结语

采空区和老采空区是工作面瓦斯治理的重要区域之一，治理措施不到位极易造成向采掘空间运移或向邻近工作面泄漏瓦斯，造成难以控制的重大安全风险。

以成庄矿4318 综采面为例，高位钻孔抽采的瓦斯浓度基本可稳定在50%以上，且能有效保障工作面安全回采进度达到180 m 以上，验证了走向顶板孔抽采的优势。对老采空区的定向抽采实践表明，经过19 d 的不间断抽采，老采空区瓦斯浓度由80%降低至25%，有效保障了邻近工作面的安全生产。随着采空区高位钻孔抽采效果的提升，采空区瓦斯得到有效治理，长距离横川通风可以满足生产要求，所以可减少横川施工数量，有利于成庄矿的采掘衔接。