黄白茨煤矿位于贺兰山煤田乌达矿区的西北部，行政区隶属乌海市乌达区管辖，南邻五虎山井田，西边与苏海图井田相邻(均为国家能源集团乌海能源公司所属矿井)，东北部以乌达逆掩断层为界，岩层走向近南北，总体倾向东，井田北部逐渐转向北东方向，倾角一般在4~6˚，在中南部靠近乌达逆掩断层附近倾角加大，一般为12~17˚，井田南北长3.94 km，东西宽1.60 km，面积6.33 km²，2017年核定生产能力1.80 Mt/a。矿井采用斜立井混合开拓方式，共有主斜井、副斜井、行人斜井、北风井、回风立井五个井筒。矿井通风方式为中央边界式，通风方法为机械抽出式。由主井、副井、行人斜井、北风井进风，回风立井回风，目前矿井总进风量9913 m³/min，总回风量10,023 m³/min，负压2200 Pa，矿井等积孔4.24 m²。

黄白茨煤矿属于高瓦斯矿井，根据2022年矿井瓦斯等级鉴定结果，矿井绝对瓦斯涌出量35.18 m³/min (风排量20.92 m³/min，抽放量14.26 m³/min)，相对瓦斯涌出量为17.73 m³/t，绝对二氧化碳涌出量为22.93 m³/min，相对二氧化碳涌出量为11.55 m³/t。目前矿井布置一个020913综采工作面，一个011209连采连充工作面，一个0213上206运综掘工作面，采掘工作面全部实现综合机械化开采。

020913工作面位于922下山采区南翼区域，距地表垂深约143~289 m；020913工作面北为922轨道下山、921皮带山上、923回风下山等开拓巷道；东部为井田自然边界乌达逆掩断层，南部为井田南部边界保护煤柱，西部为已经回采完毕的020911工作面。进回风顺槽走向长度1250 m，工作面切眼长度165 m，采高2.8 m，煤层倾角7˚。采用走向长壁式采煤法综合机械化回采工艺，全部垮落法控制顶板。

020913工作面在回采过程中发现工作面上隅角瓦斯浓度达到0.9%左右，极容易造成瓦斯超限，从而严重地制约了工作面的安全生产。

造成工作面上隅角瓦斯浓度升高的原因分析：

1) 020913工作面回采过程中煤壁会涌出一部分瓦斯，这部分瓦斯会随着风流进入工作面的上隅角，而且由于上隅角处是风流产生涡流的地方，该处瓦斯比较容易聚集；

2) 020913工作面回采过程中由于回采不可能那么干净，就会造成一部分煤炭进入采空区，这部分进入采空区的遗留煤炭也会释放出来一部分瓦斯，这部分瓦斯伴随着部分进入采空区的风流涌入到工作面上隅角，从而造成上隅角瓦斯浓度升高；

3) 020913工作面回采过后，在采空区上部顶板处形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带三个带。在这三个带中裂隙带中存在大量的发育完全的裂隙，裂隙中会储存大量的瓦斯气体，这部分瓦斯气体会进入工作面采空区，在采空区内被风流带入工作面上隅角，从而造成上隅角瓦斯浓度升高。

顶板高位瓦斯抽采技术的工作原理如下：

根据钱鸣高院士的砌体梁理论在工作面回采过后，在工作面采空区上部顶板处形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带三个带。在这三个带中裂隙带中存在大量的发育完全的裂隙，裂隙中会储存大量的瓦斯气体，如果我们施工顶板高位瓦斯抽采钻孔将瓦斯抽采钻孔的终孔位置布置在裂隙带中，再与地面瓦斯抽采系统相连接，那么通过瓦斯抽采将裂隙带中的瓦斯抽采到地面，从而减小了裂隙带中的瓦斯向工作面采空区的流入，更进一步减少了瓦斯向工作面上隅角的流动，从而达到了降低工作面上隅角瓦斯浓度的目的，这就是顶板高位瓦斯抽采技术的工作原理。理论和实践证明将顶板高位钻孔的终孔位置布置在裂隙带的中下部位瓦斯抽采效果最为明显，那么怎么确定裂隙带的范围就成为顶板高位瓦斯抽采技术的关键所在。

本论文以国家能源集团乌海能源有限责任公司黄白茨煤矿020913工作面为研究对象，根据钱鸣高院士的砌体梁理论工作面采空区裂隙带、垮落带的计算公式如下：

$H_m=\left[100{\displaystyle \sum M/\left(4.7{\displaystyle \sum M+19}\right)}\right]+2.2$(1)

$H_1=\left[100{\displaystyle \sum M/\left(1.6{\displaystyle \sum M+3.6}\right)}\right]+5.6$(2)

式中：H_m为垮落带高度(m)；H_l为导水裂隙带高度(m)； ${\displaystyle \sum M}$为煤层均厚(m)；由工作面回采地质说明可知，煤层均厚为2.84，则 ${\displaystyle \sum M}=2.8$

求得：H_m= 9.8 m

H_l= 40.2 m

由上面的计算可知020913工作面采空区垮落带4的高度约为11 m，裂隙带5的高度约为40 m。那么我们可以初步判断垮落带的位置在采空区向上顶板的0 m~9.8 m范围内；裂隙带的范围在采空区向上顶板的9.8 m~50 m的范围内。

根据020913工作面的实际情况我们将在020913工作面回风顺槽布置4个钻场，每个钻场布置15个钻孔，钻孔的具体设计参数情况如 表1 所示，具体的钻场布置情况的平面图和剖面图如 图1 和 图2 所示。其中，1#钻场距切眼236 m，钻孔设计孔深246 m，工程量3690 m，2^#钻场距1^#钻场346 m，钻孔重叠60 m，钻孔设计孔深411 m，工程量6165 m；3^#钻场距^2#钻场346 m，钻孔重叠60 m，钻孔设计孔深411 m，工程量6165 m；4^#钻场布置在020908回车场内，距3^#钻场402 m，钻孔重叠60 m，钻孔设计孔深459 m，工程量6885 m。020913工作面高位瓦斯抽采钻孔共设计工程量22,905 m。

在020913工作面施工顶板高位钻孔的钻机及其配套设备如 表2 和 图3 所示。

1) 施工前编制瓦斯抽放钻孔施工设计和施工作业规程，并宣贯到每一名员工，施工过程中严格落实。

2) 钻孔施工前，区队向矿方提出申请，在钻场回风侧10~15米处安设甲烷传感器，未设置瓦斯传感器不得开孔钻进。

3) 区队协调矿方至少为每班人员配备2台便携式瓦斯检查仪，领用时认真检查确保完好，一台吊挂至孔口上方，一台由班长或安全验收员手持随时监测钻场各区域瓦斯浓度。

4) 每班对钻场主负压抽放管路、联网管路进行检查，确保抽放系统畅通、无积水、负压正常；班前、班中、班后对已联网钻孔孔口瓦斯浓度进行检查，随时对施工钻孔瓦斯浓度进行检查，出现异常时，及时采取措施进行处理。

5) 在检查中发现已联网钻孔出现堵孔时，及时汇报区队管理人员，制定《钻孔疏通安全技术措施》，措施中明确疏通方法、作业时间、人员、配套设施及区队跟班人员等内容，经审批、组织贯彻学习后，方可进行钻孔疏通作业。严禁无措施疏通。

6) 钻孔施工时瓦斯抽放设施完善。孔口安设四通，孔口球阀，密封严密；各管路与接头连接使用专用抱卡；安设备用抽放管路连接瓦斯收集器，将瓦斯收集器吊挂至孔口上方；施工下行孔时，安设孔口放水装置；集管器、放水器、排渣器及各控制阀完好；排渣器排渣口瓦斯有涌出现象时，应设置备用管路进行抽放。

7) 作业期间，由班组长安排专人对抽放管路及放水器进行巡查放水，主抽放管路、集管器、放水器积水严重，出现满管、满罐，应停止钻进，合理调整负压，全力进行放排水工作。

8) 区队管理人员合理安排当班生产任务，避免出现单班生产任务重、员工赶进尺，孔内瓦斯集聚造成瓦斯喷孔。

9) 当班班组长根据当班生产任务合理安排，控制钻进速度，充分冲孔划孔，使孔内瓦斯得到匀速均量释放。

10) 在钻孔钻进、联网及疏通钻孔作业期间钻场瓦斯浓度不应超过1.0%，大于1.0%时必须停止作业，查找原因进行处理。

11) 作业期间，操作人员要随时观察排渣器返水返渣情况，出现返水量增大、减小或返渣颗粒较大时，需立即停钻分析排查原因。

12) 钻孔联网前，必须汇报矿方生产指挥中心，经同意后，方可进行联网作业；终孔退钻联网班次队领导跟班指挥且必须配备安全验收员，拆卸孔口装置前将孔口球阀关闭，增大孔口负压抽放30 min，期间准备好负压联网管路、测量短节、蝶阀等、螺杆等材料，将瓦斯收集器吊挂至孔口上方；拆卸孔口装置时缓慢进行，使用便携式瓦检仪随时检测孔口瓦斯，瓦斯浓度小于1%时方可继续进行作业，否则恢复原状，继续抽放；孔口装置拆开后，迅速将马达抽出孔口，对接负压管路，进行抽放。