顶板高位钻孔抽放隅角瓦斯及钻场间距探讨

顶板高位钻孔抽放隅角瓦斯及钻场间距探讨

陈全明

内江市双鹰煤炭有限责任公司  四川省内江市641000

目前，井工煤炭开采采用长壁式开采占主要，长壁式采煤工作面通风以“U”开通风居多，风流流向多为上行风，形成上隅角。上隅角是指采煤工作面的回风侧，同时靠近回风巷上帮和采空区边缘的三角地带。依据工作面不同支护方式普遍认为隅角指以下各部位与回风巷上帮交接处的三角地带：（1）按作业规程规定回风巷最后一架棚靠冒落侧1m处；（2）使用液压支架工作面最后一排液压支架采空侧末端；（3）单体液压支柱最后一根支柱；（4）垛式液压支架最后一架挡矸帘；（5）掩护支架最后一架掩护梁上端；（6）木垛靠冒落侧1m处。

生产实际中隅角易积聚瓦斯普遍认为其原因：（1）采煤工作面上隅角作为采空区漏风的交汇点和生产中不断暴露的新鲜煤壁扩散出来的大量瓦斯，在上隅角处形成涡流，造成瓦斯积聚；（2）采用U型通风方式，在U型通风条件下的采空区风流是从工作面运输巷向回风巷流动，其中少部分经采空区流动，从工作面向采空区深部剖面看，采空区的漏风呈现抛物线状，从而带出了采空区深部的瓦斯，在工作面上隅角交汇，使工作面上隅角瓦斯浓度较高；（3）从工作面上隅角的风流状态来看，由于采煤工作面上隅角靠近煤壁和采空区，风流经过工作面上端头时，巷道突然垂直转弯，使靠近煤壁的风速降低，工作面上隅角局部地区出现涡流现象，在附近出现风流循环流动现象，使采空区和工作面的瓦斯不容易被风流带走；（4）从瓦斯的物理性质来看，由于瓦斯的比重比空气的低，从顶板到底板瓦斯浓度呈现递减现象，顶板处瓦斯浓度较高。

生产实际中处理隅角积聚瓦斯方法有：（1）上隅角临时风障；（2）抽放瓦斯及上隅角埋管抽放；（3）工作面上风道安设风流引射器或专用风机吹散或稀释瓦斯；（4）加大回采工作面供风量；（5）改变工作面通风方式等。上隅角临时风障和安设风流引射器或专用风机吹散或稀释瓦斯方法现在不符合煤矿瓦斯治理政策；工作面加大风量，采空区和工作面负压差增加，采空区瓦斯会运移到工作面回风流，同时隅角涡流强度相应增强，处理隅角瓦斯效果受限；改变工作面通风方式：我国绝大部分矿井采用U型通风方式，此种通风结构，对了解煤层赋存情况，掌握矿井瓦斯，内因火灾的发生，发展规律，较为有利。由于巷道均布置在煤体中，因而巷道帮上的漏风率较少，但容易使上隅角出现瓦斯积聚现象。通过改变回采工作面的通风方式，可以改变上隅角的风流状态，改变瓦斯的交汇点，这类方法有Y型、偏Y型、H型、Z型、W型、下行通风等多种，但这类方法不仅在有自燃发火倾向的煤层中采用时受到限制，而且由于增加了巷道的工程量，对矿井的采掘接替、人力安排有影响，特别是在已布置的工作面受到限制；回风巷埋管抽放存在一是随着工作推进，密闭后的上隅角瓦斯快速升高，又得继续施工密闭，工程量大，施工临时密闭时人员也存在风险；二是上部切顶线设置的挡风设施在回柱、采空区顶板冒落、缺口放炮等易损坏，其效果存在不确定情况。目前工作面隅角瓦斯采用最多是采空区高位抽放治理隅角瓦斯。

高位抽放治理隅角瓦斯：工作面开采后采空区覆岩移动规律的理论分析表明覆岩的移动和破坏，在竖直方向上通常划分“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。在水平方向上形成三个区，即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。三带和三区的形成产生了除落煤和煤壁瓦斯涌出外新的瓦斯涌出来源，即围岩瓦斯涌出、采空区遗煤瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出。煤层开采后覆岩的裂隙及离层的分布状态，将对瓦斯的流动产生重大影响，离层裂隙既是瓦斯积聚的空间，也是瓦斯流动的通道。高位顶板钻孔就是在风巷向煤层顶板施工的钻孔，利用工作面回采，采动压力形成的离层裂隙，作为通道来抽采释放的瓦斯。在抽采负压的作用下，瓦斯就沿着裂隙流到抽采钻孔内，通过抽采管路被直接抽采到地面。

影响顶板高位钻孔抽采效果因素有高位钻孔抽采段是否位于顶板裂隙的瓦斯富集区；高位钻孔抽采段位于顶板裂隙瓦斯富集区的有效抽采时间；高位抽采钻孔封孔、抽采过程中管理等。其中高位钻孔抽采段位于位于顶板裂隙瓦斯富集区的有效抽采时间起着决定性因素。高位钻孔有效抽采时间与钻场间距密切相关，钻孔间距选择合理，不仅能提高钻孔利用率，抽出高浓度瓦斯，而且节约钻孔、抽采维护费用，达到事半功倍的效果。

本例以回风巷顶板一组三个（1#、2#、3#）高位钻孔的2#号孔探讨计算钻场间距，1#、3#钻孔末端处于采空区内投影位置相同，采用调整钻孔倾角和钻孔长度达到同一间距。

1.高位钻孔有效抽采高度：

根据采空区顶板岩层移动“三带”理论和采空区内瓦斯运移规律，高位钻孔有效抽采高度H有应位于裂隙带范围，随工作面推进冒落带前移高位钻孔下端将位于冒落带内，此时抽采浓度将骤降，抽采效果降低。即：

H冒＜H有＜H裂

式中：H冒----冒落带的高度（含过渡带），m；

H有----钻孔抽采有效高度，m；

H裂

----裂隙带高度，m。

2.高位钻孔钻床间距L公式推导（数据关系见图一图二）:

L=,L2-2投-,L2-1投-L搭=,L2-3投-,L2-2投-L搭

式中：L----钻孔抽采有效间距，m；

      L搭----前后组钻孔有效抽采重合段长度，m；

,L2-1投----1号钻床2号孔沿回风巷水平投影长度，m；

,L2-2投----2号钻床2号孔沿回风巷水平投影长度，m；

,L2-3投----3号钻床2号孔回沿风巷水平投影长度，m。

（1）1－3号钻床2#孔沿风巷水平投影长度计算：

,L2-1投＝L2投×COSγ2

,L2-2投＝L2投×COSγ2

,L2-1投＝L2投×COSγ2

式中： L2-1投----1号钻床2#孔水平投影长度，m；

       L2-2投----2号钻床2#水平投影长度，m；

       L2-3投----3号钻床2#水平投影长度，m；

       γ2----2号孔水平投影与回风巷夹角，°；

        L2投----2#钻孔水平投影长度，m。

（2）钻床2#号孔水平投影长度计算：

L2投＝L2×COSβ2

式中： L2----钻床2#钻孔长度，m；

       β2----钻床2#钻孔倾度，°。

（3）钻床2#孔水平长度计算：

L2＝MN+NP=H裂/SINβ2+（H冒+H过）/SINβ2

式中： H裂----采空区裂隙带高度，m；

       H冒----采空区冒落带高度，m；

       H过----采空区冒落带过渡到裂际带高度，m；

3.高位钻孔钻床间距L计算式整理分析：

L=[H裂/SINβ2+（H冒+H过）/SINβ2]×COSβ2÷COSγ2－[（H冒+H过）/SINβ2]×COSβ2÷COSγ2－L搭

整理得：L＝【（H裂/SINβ2）×COSβ2×COSγ2】-L搭

公式分析：从计算式中钻孔钻床间距与裂隙带高度、冒落带（含冒落过渡带）高度、钻孔倾角、钻孔与回风巷夹角、钻孔搭接长度有关。

裂隙带高度、冒落带高度（含冒落过渡带）高度：可以通过实测或采用计算数据然后打孔试抽进行调整确定，工作面顶板岩性变化不大是个定值。

钻孔与回风巷夹角：根据布孔多少与高位抽采孔落点距回风巷距离确定，一般根据采空区瓦斯运移规律，钻孔距回风巷最远距离取工作面长度的1/2。

钻孔搭接长度：钻孔搭接长度取决于钻孔施工质量和钻孔长度，一般顶板高位钻孔因施工场地受限小于200m，结合误差正态分布规律搭接长度取1－3m。

钻孔倾角：考虑钻孔施工、封孔、钻孔排水等因素，一般取15°～30°。

运用上述公式，调整钻孔倾角、与巷道夹角、钻孔搭接长度等变量组合计算多个钻床间距，结合工作面回采速度和抽放管单根长度（最好取抽放管根节长度整数倍，方便安设和拆装），最终确顶板高位钻孔钻床间距。

4.未进行采空区顶板三带实测，采空区冒落带、裂隙带可采用以下公式进行理论计算：

采空区冒落带计算公式：

坚硬岩层：

中硬岩层：

软弱岩层：

风化软弱岩层：

采空区裂隙带计算公式：

坚硬岩层：

中硬岩层：

软弱岩层：

风化软弱岩层：

式中：H冒----冒落带的高度，m；

      H裂----裂隙带高度，m，（冒落带最高与隙带最低差值为过渡带高度）。

      ∑M----累计煤层开采厚度，m。

5.实践应用：

四川泸州某矿，91751采煤工作面采用走向长壁采煤法，采煤工作面走向长480m,倾斜长75m，煤层平均倾角 28°。煤层平均采高0.95m。煤层直接顶板为深灰、灰色粘土岩、泥岩，厚0.8～1.2m，质软，岩石硬度系数f<4,遇水变软，极易膨胀。老顶为灰色砂质泥岩、泥质粉砂岩，厚1.5～2.5m，平均2m。工作面运输巷、回风巷沿煤层布置，异形断面，巷道为全卧底掘进，巷道下宽2.7m，巷道中高2.2m，净断面5.35m2, 采用锚杆+钢带+锚网支护联合支护。工作面采用TP100爬底式采煤机落煤，DW08单体液压支柱配DJ800铰接顶梁支护，全部垮落法处理采空区。

冒落带高度确定：

＝4.05±2.2＝1.85～6.25m，取7.0m，即冒落带高度为7.0m。

裂隙带高度确定：

＝18.55±5.6＝12.95～24.15m，考虑较好抽放效果取14～22m，裂隙带较好抽放范围为8m，裂隙带最低高度与冒落带最高度差为过渡带高度（14－7＝7m）。

钻孔钻床间距L计算：

L=【（h裂/SINβ2）×COSβ2×COSγ2】-L搭

=【（8/SIN15°）×COS15°×COS11°】－3＝26.3m

式中：h裂----裂隙带较好抽放范围,m，取8m；

β2----钻孔倾角,°，取15°；

        γ2----钻孔与回风巷夹倾角,°，取11°；

        L搭----前后组钻床钻孔搭接长度,m，取3m；

钻孔钻床间距L确定：

根据计算钻孔钻床为26.3m，抽放管单根长度为6m，三通长度为1m，最终确定钻孔钻床间距L＝25m。

91751采煤工作面回风巷实测风量280m

3/min不变情况下，按照钻床25m，每个钻床施工3个高位抽采孔，采煤工作面瓦斯浓度由0.2-0.4%降至0.15-0.3%；工作面回风巷瓦斯浓度由0.6-0.9%降至0.4-0.6%；工作面上隅角瓦斯浓度由0.7-1.2%降至0.6-0.7%。                 

参考文献：

1. 俞启香：矿井瓦斯防治。徐州：中国矿业大学出版社，1992.
2. 王岩森，顾永械，黄佰喜，采煤工作面上隅角瓦斯积聚成因分析及治理措施，能源技术与管理，2005（4）。
3. 徐乃忠、张玉卓，采动离层充填减沉理论与这践，煤炭工业出版社，2001.
4. 中国矿业学院，煤矿岩石层与地表移动，煤炭工业出版社，1981。
5. 刘宝琛，廖国华，煤矿地表移动的基本规律，煤炭工业出版社，2005。

附图：