基于治风理念的穿壁钻孔抽采措施探讨

魏引尚，王奕博，贾玉泉，杨 伟，张普选

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省红石岩煤矿，陕西 延安 727301)

0 引言

红石岩煤矿位于陕西省黄陵县店头镇南川河西岸的曹家峪村，其矿井瓦斯相对涌出量为2.72 m3/t，矿井瓦斯绝对涌出量6.28 m3/min。其12409工作面按照原有经验抽放瓦斯时发现，上隅角埋管抽采瓦斯的措施以及移动抽采泵站抽采流量不足以解决上隅角瓦斯超限现象的问题。因此，矿井已计划并建成地面抽放泵站以解决抽采能力不足的问题，并在实践生产的过程中总结发现了该瓦斯积聚现象的产生主要是外部漏风和内部漏风共同作用下漏风量较大引起的。结合大量的工程实践资料发现[1-6]，学者们在治理上隅角瓦斯超限问题时，大多是以治理内部漏风为出发点，以抽采瓦斯浓度为治理核心，对于因外部漏风和内部漏风共同造成的漏风量过大而导致的上隅角瓦斯积聚的问题如何治理，论述较少。通过对红石岩煤矿漏风来源的分析发现，治理12409工作面瓦斯积聚现象的治理核心在于漏风。因此，将以治理漏风为出发点，结合工作面实际情况，提出并论述基于治风理念的穿壁孔抽采措施在治理该类型煤矿的可行性。

1 12409工作面采空区漏风分析

对于大多数U型工作面，由于内部漏风的缘故，工作面进风巷测(始端)到工作面回风巷侧(末端)的沿程风量逐渐变化而非定值，工作面进风巷(始端)的风量和工作面回风巷侧(末端)的风量并不相等，属于正压漏风状态。

Q进=PQ回

(1)

式中：P—风量比，正压漏风时P>1，负压漏风时P<1。

进入工作面的风流一部分沿着工作面向工作面回风侧流动，另一部分漏进采空区，并伴随着采空区内的瓦斯，沿着扇形路径，向工作面回风侧流动。并且由于瓦斯的密度比空气小，且上隅角附近由于风流方向的变化，形成了一个流速较低的涡流区，从而造成了瓦斯在上隅角处的大量积聚。

但此种分析方式的缺陷在于并未充分考虑到外部漏风对工作面上隅角瓦斯的影响性。对于大多数U型工作面，外部漏风带来的瓦斯在抽采设计中往往忽略不计入考量，但当外部漏风达到了一定的漏风量以后，则需要针对内部漏风和外部漏风重新进行实地分析，制定适宜的抽采措施。

对于采空区漏风的来源一般分为内部漏风和外部漏风。根据郭玉森学者在采空区与周围巷道连通关系中的阐述[7]，可将采空区漏风简化表示为一个“两源一汇”的模型，如图1所示。其中A为内部漏风，B为外部漏风，C为上隅角处。

图1 “两源一汇”模型

风流沿着进风巷向回风巷途经工作面流动时，一部分风流从工作面进风巷侧涌入采空区，这部分风流是造成该工作面内部漏风的主要来源。内部漏风附含的瓦斯一部分来源于开采层的煤壁和落煤解吸的瓦斯，另一部分来源于采空区，采空区瓦斯涌出包括未采下分层卸压后涌出的瓦斯、丢煤解吸的瓦斯、邻近层及围岩涌出的瓦斯。依据陕西省煤矿生产安全监督管理局对红石岩矿井瓦斯等级鉴定结果可知，其矿井瓦斯相对涌出量2.72 m3/t，瓦斯绝对涌出量6.28 m3/min，以及多年来红石岩煤矿生产报告资料显示，上隅角瓦斯超限问题集中出现在了煤矿开采的中后期，此时工作面配风量同比前期变化不大。由此可证，上隅角瓦斯超限问题与内部漏风并没有直接的逻辑关系。

12409工作面采空区附近存在着“老窑”，是造成该工作面外部漏风的主要来源，且位置无法确定。经现场多次测定，12409工作面上隅角近采空区侧的漏风量约为180 m3/min。经翻阅资料表明，该矿在同一采区对12404工作面，12405工作面根据其瓦斯涌出量而选型的临时移动抽放泵，最大抽采量仅为55 m3/min。由此可见，对比同一采区已采工作面，12409工作面漏风量的突然增大，与外部漏风存在密不可分的联系。

2 治风理念及措施

2.1 治风理念

根据工程实践需要，以及外部漏风源位置的不确定性，采用现场实践的方式分析选择治理上隅角瓦斯积聚问题的侧重点。经与矿方沟通，在现有12409工作面超前支护前在巷道顶板位置以间隔5 m的距离，依次打入3组钻孔(1组5个钻孔)，终孔点落入采空区裂隙带内。测得抽采管道内混合流量45 m3/min，混合瓦斯浓度3%左右，工作面近采空区侧的漏风量约为140 m3/min。此时上隅角瓦斯浓度约为1.9%，仍处于超限状态。由此可知，以传统方式抽采采空区高浓度瓦斯以达到降低上隅角瓦斯浓度的方式在该煤矿效果甚微。

因此，针对这种情况，治理该煤矿12409工作面上隅角瓦斯超限问题的核心在于治风。可构建一个“两源两汇”的模型，如图2所示，其中A为内部漏风，B为外部漏风，C为上隅角处，D为抽采钻口处。考虑到外部漏风源位置的不确定因素，通过在上隅角附近处形成一个具有局部负压特性的漏风汇(抽采钻口处)，从而减少向上隅角处流去的漏风量，从而达到治理上隅角瓦斯积聚的效果。

根据以上对红石岩煤矿12409工作面采空区漏风来源的分析，并基于“两源两汇”的治理模型，提出以下治风理念。

图2 “两源两汇”模型

根据能量守恒定律以及矿井瓦斯运移特性，在上隅角近采空区处构建的漏风汇(抽采钻孔)的漏风量D近似满足式(2)。

QA+QB=QC+QD

(2)

式中：QA—内部漏风，m3/min；QB—外部漏风，m3/min；QC—上隅角处漏风量，m3/min；QD—漏风汇风量，m3/min。

对于U型工作面，采空区向工作面上隅角处涌出的瓦斯量与其内外压差的平方有关[8-10]，当通过在上隅角附近处设置抽采钻头抽采瓦斯时，瓦斯抽放的强度会影响上隅角附近的瓦斯流向。即在治理该煤矿12409工作面时，当抽采钻孔处的抽采风量QC大于外部漏风量QB时，可以消除由外部漏风带来的临近层以及采空区深部瓦斯，并由抽采钻孔处引排；当抽采钻孔处的抽采风量QC大于外部漏风量QB与内部漏风量QA的总和时，可使得抽采钻孔处相对于上隅角处形成一个局部负压区，即原流从上隅角的外部漏风和内部漏风向抽采钻孔处流去，从而消除由漏风造成的上隅角瓦斯积聚现象。

2.2 治理措施

对于红石岩煤矿12409工作面存在的采空区漏风量较大，且现有抽采措施效果不足以消除隐患的现状，现探讨了一种从相邻巷打穿壁孔的抽采方案以解决上隅角瓦斯积聚问题。

通过对红石岩煤矿12409工作面的现场考察发现，12409工作面回风巷与12410工作面回风巷处于同位侧，并在停产线处公用一条主回风巷。且12410工作面掘进开拓工作已经完成，通风条件成熟。原计划采用12410工作面作为12409工作面的“尾巷”，通过打孔将12409工作面上隅角附近的风流引排至12410工作面回风巷中。这种措施在终孔点和起孔点是以自然风压的方式引排漏风。在实际生产中，内外压差会受到生产因素以及通风因素的影响并不稳定，钻孔内部风流有可能处于动态平衡的状态，甚至会出现风流倒流的现象。另外引排至12410工作面回风巷中的漏风风流也有可能导致12410回风巷瓦斯超限现象的发生。因此，将12410工作面回风巷作为12409工作面“尾巷”的方式引排漏风存在着技术缺陷以及安全隐患。通过现场考察并在此基础上，将原有方案改进为在12410工作面打穿壁孔，并利用已有管路进行改装从而将抽采孔连入管道，通过抽采泵提供抽采负压的方式将避免风流倒流和瓦斯超限等其他问题的发生，并做出相应设计方案，投入使用。

通过对红石岩煤矿漏风量较大的问题讨论分析，此设计方案主要以抽采上隅角附近的漏风为主，通过形成一个具有局部负压特性的漏风汇以达到治理效果。本设计以现有条件，从与12409工作面相邻的12410工作面打穿壁孔到12409工作面上隅角附近。5 m布置1个钻孔，每次抽采时将5个钻孔连入管路，连接至地面泵站引排。当第一个孔进入采空区深部后，下一个孔接力抽采，并将该孔进行灌浆封孔处理。钻孔设计图及参数表如图3、表1。

图3 钻孔设计示意图

表1 钻孔技术参数表

3 治理效果分析

根据统计现场瓦检员每天的检测报告，将其整理汇总，见表2。

表2 抽采数据统计表

根据表2，可统计连入管路的5个钻孔总流量约为200 m3/min，此时由于漏风产生的采空区瓦斯主要由抽采管道处引排。并发现上隅角瓦斯浓度长期保持在0.3%以下，根据投采前后的上隅角瓦斯浓度对比，可基本验证“两源两汇”模型的工业适用性。并且通过对抽采管路里的瓦斯浓度的检测发现，瓦斯浓度基本维持在3%左右，因此，可判定该瓦斯是由外部漏风引起的，从而证明了治风理念的正确性。

4 结论

(1)根据2016版的《煤矿安全规程》，对于传统的U+L型通风方式的尾巷抽采措施因存在安全隐患，已不能再使用。而对于红石岩煤矿，12410掘进工作面切眼已形成，且与12409工作面以并行的方式共用一条主回风巷道，通风条件成熟，且在管路已经铺设完毕的情况下，在12410回风巷打穿壁孔到12409工作面上隅角附近，并连入抽采管路进行抽采的措施是可行的，与新的章程并不冲突。

(2)12409工作面外部漏风较大从而导致上隅角瓦斯积聚的隐患困扰煤矿的正常生产工作已久。煤矿方在实际生产中采用了上隅角插管的抽采措施，但效果并不明显。在综合分析了红石岩煤矿12409工作面采空区漏风来源之后，以治风的理念采取穿壁孔抽采方式取得了良好的抽采效果，解决了上隅角瓦斯积聚的问题，并验证了此类煤矿治风理念的正确性。

(3)主要针对工程实践进行分析论述，对于内部漏风和外部漏风共同作用下采空区内部的风流流向，以及瓦斯分布并未进行深入分析，希望在以后的研究中不断深入，总结。