賈雪剛，賈雪強(qiáng)

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車(chē)集煤礦，河南 永城 476600)

在世界范圍內(nèi)，我國(guó)已經(jīng)探明的煤炭資源儲(chǔ)量占世界第一，在煤炭資源使用方面同樣居世界首位，是名副其實(shí)的煤炭?jī)?chǔ)量和使用量大國(guó)[1]。為了滿(mǎn)足人們對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提升和社會(huì)工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)每年都會(huì)開(kāi)展大量的煤炭資源[2]。由于絕大部分煤炭資源是在井下開(kāi)采，不僅開(kāi)采難度大，且開(kāi)采中會(huì)涌出大量瓦斯，對(duì)井下人員的身體健康甚至生命安全構(gòu)成威脅[3]。近年來(lái)我國(guó)很多煤礦中出現(xiàn)了安全生產(chǎn)事故，引起了社會(huì)的高度關(guān)注，其中絕大部分都是由于瓦斯治理效果不佳引起的。如何對(duì)煤礦中的瓦斯進(jìn)行治理，是所有煤礦企業(yè)面臨的關(guān)鍵和重要問(wèn)題[4]。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中人們總結(jié)了很多煤礦瓦斯治理措施，但在具體應(yīng)用中需要充分結(jié)合煤礦實(shí)際情況，合理選擇最科學(xué)最有效的措施，這樣才可以有效保障礦井生產(chǎn)安全[5]。本文主要以某煤礦為案例，詳細(xì)介紹了回采工作面中的瓦斯治理技術(shù)措施，對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 礦井概述

某煤礦根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果和礦井建設(shè)情況，設(shè)計(jì)的年生產(chǎn)能力達(dá)到了180萬(wàn)t，服務(wù)年限為60年左右。該煤礦含煤層總體厚度在900 m左右，其中煤層整體厚度和可采煤層厚度分別為12.6 m和10.16 m左右。32、82、10號(hào)煤層整體比較穩(wěn)定，屬于可采煤層，其中后兩者的煤層平均厚度大小其次為1.83 m和3.1 m，2個(gè)煤層之間的距離平均值為74 m。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，82、10號(hào)煤層的瓦斯涌出量相對(duì)較大，經(jīng)過(guò)鑒定后認(rèn)為屬于瓦斯突出煤層。整個(gè)煤礦2019年的礦井絕對(duì)瓦斯涌出量和相對(duì)瓦斯涌出量分別為62.17 m3/min和36.71 m3/t。

1.2 工作面概述

主要以10號(hào)煤層的1075回采工作面為例，對(duì)其瓦斯治理情況進(jìn)行分析?；夭晒ぷ髅婷簩拥暮穸葹?.39～4.04 m，平均厚度為3 m，煤層傾角2°～8°，平均為5°。工作面的傾向長(zhǎng)度和走向長(zhǎng)度分別為166 m和1 067 m。已經(jīng)探明的煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)到了70.6萬(wàn)t，可以開(kāi)采的煤炭量為67.1萬(wàn)t。煤層本身的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，煤層底板為深灰至灰色的粉砂巖，內(nèi)部包含有少量的細(xì)砂質(zhì)泥巖，煤層頂板屬于泥巖，局部位置包含有少量的粉砂質(zhì)泥巖。

2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及瓦斯抽采技術(shù)選擇

2.1 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

1075回采工作面瓦斯來(lái)源主要包含2大部分，分別為本煤層和上臨近煤層。在準(zhǔn)確判斷本煤層和上臨近煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)理論可以計(jì)算得到10號(hào)煤層1075回采工作面的相對(duì)瓦斯涌出量為9.21 m3/t。工作面每天開(kāi)采得到的煤礦重量為4 000 t左右，基于此可以計(jì)算得到1075工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量為25.58 m3/min。由于工作面的瓦斯涌出量相對(duì)較大，采用普通的增加通風(fēng)的方式已經(jīng)無(wú)法解決問(wèn)題，需要采用瓦斯抽采技術(shù)方案解決工作面高瓦斯的實(shí)際問(wèn)題。

2.2 瓦斯抽采技術(shù)方案選擇

考慮到煤礦中1075回采工作面的瓦斯涌出量相對(duì)較大，所以除了采用傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)降低礦井中的瓦斯?jié)舛韧猓€需要利用先進(jìn)的瓦斯抽采技術(shù)對(duì)瓦斯進(jìn)行控制[6]。根據(jù)實(shí)際情況，瓦斯抽采技術(shù)可以分為不同的方案，本案例中充分結(jié)合礦井具體情況，擬采用3種瓦斯抽采技術(shù)方案同時(shí)進(jìn)行施工，以便達(dá)到最優(yōu)的瓦斯治理效果。以下對(duì)3種瓦斯抽采技術(shù)方案的基本原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

(1)高位鉆場(chǎng)鉆孔瓦斯抽采。這種瓦斯抽采技術(shù)方案主要是在工作面的回風(fēng)巷中選擇合適的鉆場(chǎng)，在頂板進(jìn)行鉆孔并將終孔設(shè)置在頂板的裂隙帶中，通過(guò)這種措施可以將頂板裂隙帶中涌出的瓦斯提前進(jìn)行抽采排除[7]?；夭晒ぷ髅娓呶汇@場(chǎng)鉆孔瓦斯抽采基本工作流程如圖1所示。

在高位鉆場(chǎng)中設(shè)置有2種類(lèi)型的鉆孔，分別為高位孔和攔截孔，其中高位孔的作用是對(duì)10號(hào)煤層本身的瓦斯進(jìn)行抽采，攔截孔的作用是對(duì)上臨近82號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采。為實(shí)現(xiàn)上述目的，高位孔的終孔需設(shè)置在10號(hào)煤層的裂隙帶，攔截孔的終孔需要設(shè)置在82號(hào)煤層的頂板部位。工作面高位鉆場(chǎng)的鉆孔布置情況如圖2所示。

圖2 工作面高位鉆場(chǎng)的鉆孔布置情況Fig.2 Drilling layout of the high-level drilling field at the working face

(2)頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采。煤層工作面在推進(jìn)過(guò)程中，頂板上面依次會(huì)出現(xiàn)冒落帶和裂隙帶，裂隙帶中由于出現(xiàn)了很多裂隙，是瓦斯聚集的最佳位置。除采用高位鉆孔對(duì)裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采外，還可以基于頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)來(lái)降低裂隙中的瓦斯量[8]。工作面頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采如圖3所示。該技術(shù)方案將鉆場(chǎng)設(shè)置在工作面的風(fēng)巷中，鉆孔同樣可以分為2種類(lèi)型，分別為高位孔和攔截孔。高位孔的終孔設(shè)置在10號(hào)煤層頂板裂隙帶中下部區(qū)域，攔截孔的終孔設(shè)置在上臨近82號(hào)煤層的底板下部區(qū)域，2種類(lèi)型鉆孔分別對(duì)2個(gè)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采。頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)與高位鉆場(chǎng)鉆孔瓦斯抽采技術(shù)相比較是一種新興技術(shù)，在實(shí)踐應(yīng)用中呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)會(huì)逐漸取代后者。

圖3 工作面頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采示意Fig.3 Schematic diagram of gas drainage with directional long boreholes on the roof of working face

(3)地面鉆孔瓦斯抽采。煤層工作面在開(kāi)采過(guò)程中受到采動(dòng)過(guò)程對(duì)原有平衡體系造成的影響，采空區(qū)頂板原有的圍巖會(huì)失去平衡，在上部區(qū)域位置膨脹變形，形成很多裂隙并聚集大量的瓦斯。可以在地面設(shè)置鉆場(chǎng)向采空區(qū)頂板裂隙區(qū)域進(jìn)行鉆孔。利用負(fù)壓作用對(duì)頂板裂隙區(qū)域內(nèi)聚集的瓦斯進(jìn)行抽采，將瓦斯排除至地面以上。地面鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的原理如圖4所示。

圖4 地面鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采的原理示意Fig.4 Schematic diagram of the principle of ground drilling for gas drainage

從圖4可以看出，地面鉆井同時(shí)穿過(guò)了7號(hào)和82號(hào)煤層，最后到達(dá)10號(hào)煤層裂隙區(qū)。所以地面鉆孔不僅可以對(duì)10號(hào)煤層裂隙區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，還可以對(duì)7號(hào)和82號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采。另外，考慮到工作面回風(fēng)巷區(qū)域的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，在設(shè)置地面鉆場(chǎng)時(shí)，可以將其設(shè)置在靠近回風(fēng)巷的部位。

3 回采工作面瓦斯治理技術(shù)參數(shù)確定

3.1 高位鉆場(chǎng)和鉆孔參數(shù)確定

(1)高位鉆場(chǎng)參數(shù)。2個(gè)相鄰鉆場(chǎng)之間的距離會(huì)對(duì)瓦斯抽采效果產(chǎn)生重要影響，確定該數(shù)值時(shí)需要考慮煤層開(kāi)采時(shí)冒落帶高度大小。在考慮上述因素的情況下將鉆場(chǎng)之間的間距暫定為80 m。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔數(shù)量同樣會(huì)影響瓦斯抽采效果，數(shù)量越多意味著抽采范圍越大、效果越好，但成本會(huì)越高，最終確定每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)置高位孔和攔截孔的數(shù)量分別為10個(gè)和20個(gè)。

(2)高位鉆孔參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)1075工作面的冒落帶和裂隙帶范圍分別在頂板以上0～13 m和13～40 m內(nèi)。在裂隙帶會(huì)聚集很多瓦斯，在采用高位鉆孔方法進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，需要將終孔放置在此范圍內(nèi)，可以達(dá)到最好的瓦斯抽采效果。最終確定的高位鉆孔終孔位置距離工作面頂板15～30 m。考慮到上臨近的82號(hào)煤層工作面的卸壓瓦斯會(huì)影響1075工作面的瓦斯涌出，可以采用攔截孔的方式對(duì)82號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采。1075工作面高位鉆孔瓦斯抽采的方案如圖5所示。

圖5 高位鉆孔瓦斯抽采的方案示意Fig.5 Scheme of gas drainage in high drilling hole

對(duì)于高位鉆孔而言，平距參數(shù)是其中比較重要的參數(shù)，是指工作面回風(fēng)巷與鉆孔終孔之間的水平距離。根據(jù)煤礦領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)理論，設(shè)置的高位鉆孔終孔需要控制在卸壓范圍以?xún)?nèi)，防止與中部壓實(shí)區(qū)域直接接觸，此措施能在一定程度上提升高位鉆孔開(kāi)展瓦斯抽采的時(shí)間和效率。結(jié)合實(shí)際情況，本研究中將高位鉆孔的平距參數(shù)設(shè)置在0～65 m內(nèi)，能夠滿(mǎn)足實(shí)際使用需要。

高位鉆孔的孔徑設(shè)置為113 mm。完成鉆孔后需要進(jìn)行封孔，封孔段長(zhǎng)度太小或太長(zhǎng)都會(huì)影響瓦斯抽采效果。如果封孔長(zhǎng)度達(dá)不到要求，會(huì)使得回風(fēng)巷中部分空氣混入鉆孔內(nèi)部，從而降低瓦斯抽采效果。相反地，如果封孔長(zhǎng)度太長(zhǎng)，會(huì)阻礙一部分瓦斯正常進(jìn)入鉆孔內(nèi)部，同樣會(huì)制約瓦斯抽采效果的提升。在結(jié)合煤礦實(shí)際情況并借鑒以往成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將高位孔和攔截孔的封孔深度分別設(shè)置為18 m和28 m。

3.2 定向鉆場(chǎng)和長(zhǎng)鉆孔參數(shù)確定

為了更好的控制1075回采工作面的瓦斯超限問(wèn)題，在工作面頂板巖層設(shè)置1個(gè)定向鉆場(chǎng)，包括高位定向鉆孔和定向攔截孔的數(shù)量分別為5個(gè)和7個(gè)。所有的孔徑均為133 mm，對(duì)應(yīng)的封孔深度分別為30 m和45 m。

(1)定向高位長(zhǎng)鉆孔。共設(shè)置有5個(gè)定向高位長(zhǎng)鉆孔，定向高位長(zhǎng)鉆孔的平面軌跡如圖6所示。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)置的定向高位長(zhǎng)鉆孔能夠覆蓋的瓦斯抽采范圍大約為65 m。所以設(shè)計(jì)的5個(gè)鉆孔距離回風(fēng)巷依次0、20、35、50、65 m，與煤層工作面頂板的距離均為20 m。1號(hào)鉆孔深度為460 m，其余鉆孔深度為500 m。在實(shí)際施工中，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)鉆孔與工作面頂板之間的距離實(shí)際值分別為20.8、19.1、18.8、19、20.2 m。

(2)定向攔截孔。共設(shè)置有7個(gè)定向攔截孔，作用是對(duì)上臨近的82號(hào)煤層中的卸壓瓦斯進(jìn)行抽采。定向攔截孔的終孔位置設(shè)置在82號(hào)煤層底板附近，設(shè)計(jì)的攔截孔深度全部為500 m。但在實(shí)際施工中，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)定向攔截孔的實(shí)際鉆孔深度分別為300、360、537、513、573、510、528 m，7個(gè)攔截孔與10號(hào)煤層頂板之間的平均距離分別為73.1、68.5、56.5、58.3、54.5、62.3、68.5 m。

3.3 地面鉆孔技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

地面鉆孔中的終孔位置會(huì)對(duì)抽采效果產(chǎn)生較大影響，如果將終孔直接設(shè)置在塌落帶，那么塌落過(guò)程會(huì)對(duì)鉆孔造成破壞，縮短鉆孔的使用壽命，如果將終孔設(shè)置在裂隙帶上部區(qū)域，雖然可以延長(zhǎng)鉆孔的使用壽命，但由于裂隙不是很成熟，瓦斯聚集量相對(duì)較小，會(huì)影響瓦斯抽采效果[9]?；诖?，確定將地面鉆孔的終孔設(shè)置在裂隙帶的中下區(qū)域?？紤]到1075工作面風(fēng)巷的瓦斯聚集量相對(duì)較大，將地面鉆孔設(shè)置在距離回風(fēng)巷20～60 m的范圍內(nèi)。

根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定地面鉆孔有效瓦斯抽采范圍在120 m左右。基于此，沿著工作面推進(jìn)方向?qū)⒌孛驺@孔之間的距離設(shè)置在240 m以?xún)?nèi)，共設(shè)置有10個(gè)地面鉆孔，地面鉆孔技術(shù)方案的布局如圖7所示。其中，1號(hào)鉆孔與切眼之間的距離為30 m，1號(hào)—10號(hào)鉆孔中相鄰鉆孔之間的距離依次為80、84、56、101、111、109、108、157、170 m。根據(jù)上述技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)沿著工作面推進(jìn)方向瓦斯抽采的全覆蓋，為1075回采工作面的瓦斯抽采效果奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖7 地面鉆孔技術(shù)方案的局部示意Fig.7 Partial schematic of ground drilling technology scheme

4 回采工作面瓦斯抽采治理效果

4.1 不同抽采技術(shù)累計(jì)瓦斯抽采量

為了分析設(shè)計(jì)的回采面瓦斯抽采技術(shù)方案的實(shí)際效果，針對(duì)1075工作面整個(gè)回采期間不同方案的瓦斯抽采情況進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析。

工作面回采期間不同抽采技術(shù)累計(jì)瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)如圖8所示。由圖8可知，在高位鉆場(chǎng)中，高位孔和攔截孔累計(jì)抽采獲得的瓦斯量分別為29.74萬(wàn)m3和100.27萬(wàn)m3，瓦斯抽采量總計(jì)為130.01萬(wàn)m3；在定向鉆場(chǎng)中，高位孔和攔截孔抽采獲得的瓦斯總量依次為7.96萬(wàn)m3和47.22萬(wàn)m3，瓦斯抽采量總計(jì)為56.36萬(wàn)m3；地面鉆場(chǎng)中只設(shè)置了地面孔，累計(jì)抽采獲得的瓦斯總量為227.9萬(wàn)m3。在高位鉆場(chǎng)和定向鉆場(chǎng)中，高位孔主要是對(duì)10號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采，攔截孔主要是對(duì)上臨近82號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采?？梢钥闯?，利用攔截孔抽采得到的瓦斯總量要比高位空抽采得到的瓦斯總量要大很多，總量分別為37.7萬(wàn)m3和148.59萬(wàn)m3。地面鉆場(chǎng)同時(shí)對(duì)上臨近82號(hào)煤層和10號(hào)煤層的瓦斯進(jìn)行抽采，因而無(wú)法分辨在2個(gè)煤層中具體的抽采量。

圖8 工作面回采期間不同抽采技術(shù)累計(jì)瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of cumulative gas drainage volume of different drainage technologies during the working face's recovery period

4.2 回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)于煤礦開(kāi)采工作面而言，上隅角和回風(fēng)巷2個(gè)容易聚集瓦斯的地方，因此這2個(gè)位置的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)其他部位會(huì)更高[10]。為了確保煤礦生產(chǎn)安全，通常需要對(duì)上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。本工程案例中，除使用傳統(tǒng)的通風(fēng)即系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯治理外，還綜合利用了不同的瓦斯抽采技術(shù)方案對(duì)高瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行治理，1075回采工作面回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛鹊难葑兦闆r如圖9所示。

圖9 回采工作面回風(fēng)巷和上隅角瓦斯?jié)舛鹊难葑兦闆rFig.9 Evolution of gas concentration in the return air tunnel and the upper corner of the working face

由圖9可知，上隅角部位的瓦斯?jié)舛日w上要比回風(fēng)巷位置的瓦斯?jié)舛纫?。監(jiān)測(cè)期間，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.11%～0.33%，平均0.21%；回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.08%～0.29%，平均0.19%。根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，礦井中的瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)1%，為了確保煤礦生產(chǎn)中的瓦斯安全，將井內(nèi)的瓦斯?jié)舛劝踩A(yù)警值設(shè)置在0.5%。由圖中數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間上隅角和回風(fēng)巷中的最高瓦斯?jié)舛戎挥?.33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求的1%，也比本煤礦中要求的安全預(yù)警數(shù)值0.5%要低。

綜合以上分析認(rèn)為，研究中使用的工作面瓦斯治理技術(shù)是可行的，達(dá)到了預(yù)期效果，將礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诹溯^低水平，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

主要以某高瓦斯礦井為研究對(duì)象，對(duì)其瓦斯治理技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，所得結(jié)論主要如下。

(1)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)10號(hào)煤層1075回采工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量和相對(duì)涌出量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別為25.58 m3/min和9.21 m3/t，屬于高瓦斯煤層。需要利用先進(jìn)的瓦斯抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)舛鹊目刂啤?/p>

(2)綜合利用高位鉆場(chǎng)鉆孔瓦斯抽采、頂板巖層定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采和地面鉆孔瓦斯抽采開(kāi)展瓦斯抽采工作，前2種方案中同時(shí)包含有高位孔和攔截孔，分別對(duì)本煤層和上鄰近煤層的瓦斯進(jìn)行抽采。

(3)將3種瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，整個(gè)工作面回采期間，抽采瓦斯總量分別為130.01萬(wàn)m3、56.36萬(wàn)m3和227.90萬(wàn)m3。

(4)對(duì)1075回采工作面回風(fēng)巷和上隅角部位的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)位置的瓦斯?jié)舛确謩e在0.08%～0.29%和0.11%～0.33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1%的基本要求，驗(yàn)證了瓦斯治理技術(shù)方案的科學(xué)性。