朱莊礦上隅角瓦斯抽采鉆孔參數優化及效果分析＊

胡寶林 姚晉寶 張 影 陳 賡 聶敏中 何云灼

（1.安徽理工大學地球與環境學院，安徽省淮南市，232001；2.淮北礦業股份有限公司朱莊煤礦，安徽省淮北市，235052）

朱莊礦上隅角瓦斯抽采鉆孔參數優化及效果分析＊

胡寶林1姚晉寶1張 影1陳 賡1聶敏中2何云灼2

（1.安徽理工大學地球與環境學院，安徽省淮南市，232001；2.淮北礦業股份有限公司朱莊煤礦，安徽省淮北市，235052）

為防止工作面回風巷尤其是上隅角瓦斯超限，確保工作面的正常生產，同時可以充分利用瓦斯資源，本文利用頂板冒落的關鍵層理論，并在空區頂板采動裂隙、冒落數值模擬結果的基礎上，對高位抽放鉆孔的終孔位置、終孔平距、抽放鉆孔的鉆孔直徑等參數進行了優化，朱莊煤礦Ⅲ4414工作面現場試驗結果表明鉆孔參數優化后，提高了抽采效率，保證回采工作面安全高效生產。

鉆孔參數 瓦斯抽采 鉆孔 采動裂隙

1 引言

朱莊煤礦位于淮北市以東礦山集境內，該礦井年產原煤近200萬t。隨著礦井開采深度增加，目前礦井瓦斯絕對涌出量增至34.69m3／min，相對涌出量達11.85m3／t，尤其是4＃煤層瓦斯含量及涌出量相對較高。目前，由于高位鉆孔抽采瓦斯流量大、抽采瓦斯體積分數高、工藝簡單等優點，逐漸發展成為采煤工作面最常用、最有效的瓦斯抽采技術之一。

2 Ⅲ4414工作面頂底板特征

朱莊煤礦Ⅲ4414工作面所采4＃煤層為穩定煤層，宏觀煤巖類型為以半亮煤為主，頂部和局部有少量半暗型煤煤層。直接頂為深灰色泥巖及粉砂巖，層理不明顯，其中泥巖較易破碎，其厚度在11.7m左右；老頂為灰色、堅硬、厚層狀細晶閃長玢巖，厚度13.77m左右。直接底為深灰色、塊狀，含植物化石碎片泥巖，厚度2.5m左右；老底為灰白色、細粒、塊狀、堅硬的細砂巖，其主要成分為石英，次為長石，厚度5.29m左右。底部7.79m左右見厚2.47m左右煤層。

錢鳴高等認為由于煤系地層的分層特性差異，因而各巖層在巖體活動中的作用是不同的。有些較為堅硬的厚巖層在活動中起控制作用，即起承載主體與骨架作用；有些較為軟弱的薄巖層在活動中只起加載作用，其自重大部分由堅硬的厚巖層承擔。因此，把在巖體活動中起主要控制作用的巖層稱為關鍵層。煤層開采后，關鍵層下部將產生不協調性的連續破壞，即有的巖層出現以拉應力為主的破壞，有的則以壓應力為主的破壞，形成了不同的裂隙分布。根據采空區頂板裂隙生成、冒落情況對抽采工藝優化設計，有利于提高抽采效果，達到較好的治理瓦斯效果。

Ⅲ4414工作面4＃煤層頂板50m左右范圍內，僅有兩層巖性的較堅硬的厚巖層，它們分別為4＃煤層以上第2層和第6層巖層。第2層巖層為泥質粉砂巖，厚度為4.19m，該層巖層在平面上厚度不穩定；第6層巖層為火成巖，層厚為13.77m。火成巖為4＃煤層頂板的主關鍵層，第2層泥質粉砂巖為亞關鍵層，見表1。

表1 Ⅲ4414工作面4＃煤層頂底板情況一覽表

3 頂板高位鉆孔瓦斯抽采優化設計

高位鉆孔的抽放效果主要由以下幾個參數來決定：抽放鉆孔的終孔位置、終孔平距、鉆孔直徑等。

3.1 鉆場設計

考慮到工作面頂板地質條件、現場工作面回采情況及鉆孔施工情況，風巷中共設計5個鉆場。第一個鉆場位于開切眼115m處，第二個鉆場位于開切眼195m處，第三個鉆場位于開切眼280m左右處，第四個鉆場位于開切眼365m處，第五個鉆場根據現場條件確定。

3.2 頂板鉆孔層位

頂板瓦斯抽采鉆孔的有效部分是處于彎曲下沉帶底部與垮落帶頂界之間裂隙帶。通過數值模擬，經驗公式計算及礦壓觀測，Ⅲ4414工作面老頂初次來壓步距為42m左右，周期來壓步距平均為17.19m。隨著工作面向前推進，裂隙帶的高度逐漸加高，裂隙帶高度最大處達到23.4m，見圖1。由于初采期間采動未波及到老頂主關鍵層（火成巖），因此裂隙主要發育于垮落帶頂界與主關鍵層底部之間。由于工作面老頂初次來壓之前與正常回采期間產生的裂隙帶不同，因此，第一鉆場鉆孔與其他鉆場設計鉆孔應有所不同，見圖2。

根據數值模擬與計算結果，將第一鉆場下排鉆孔終孔控制在第一關鍵層處，即距煤層頂板12m，將第一鉆場上排鉆孔終孔控制在距煤層頂板16m處；第二鉆場終孔高度根據終孔與風巷的水平距離不同，高度布置在13～23m之間。

3.3 鉆孔終孔與風巷水平距離

根據FIMAGE軟件模擬結果，采空區裂隙主要發育在距巷道40m左右的范圍內，見圖3，大于此距離覆巖被壓實。為此，在設計頂板鉆孔時，確定傾向方向上的有效控制范圍與回風巷的距離最大為40m左右，因此鉆孔的終孔位置與風巷的平距必須小于40m。

圖3 “O”形圈周邊裂隙密度分布頻度示意圖

同時，工作面頂板在傾向方向上也存在垮落角β，近似取其與工作面走向頂板的垮落角一致。鉆孔終孔位置與風巷的平距c計算如下：

式中：α——煤層傾角，（°）；

β——垮落角，（°）；

d——煤層厚度，m；

D——風巷寬度，m；

h——鉆孔終孔位置到煤層頂板垂距，m。

Ⅲ4414工作面煤層傾角平均6.1°，煤層厚度平均2.3m，風巷寬度3.5m。

（1）如鉆孔終孔高度設在火成巖底板處，其h為14m，工作面頂板在傾向方向垮落角β為56°，則鉆孔終孔位置與風巷北幫的平距c為：

（2）如鉆孔終孔高度設在火成巖頂板處，其h為27m，則鉆孔終孔位置與風巷北幫的平距c為：

巷道上方的頂板因受近工作面采空區的影響已經產生裂隙。上述平距計算值是依據工作面沿走向兩側為實體煤時頂板的側向垮落角確定的；沿工作面傾向，因巷道上方覆巖裂隙的存在，實際頂板的傾向垮落角要大于56°。

第一種情況：終孔位于火成巖層（關鍵層1）底板。根據計算結果，鉆孔終孔位置與風巷右幫的平距取大于6m。

第二種情況，終孔位于火成巖層（關鍵層1）頂板。礦壓資料分析結果表明，本區火成巖老頂的周期垮落步距平均在15.22m左右，見圖4，煤巷寬2.7m，參考計算結果，鉆孔終孔位置與風巷右幫的平距大于12m。

圖4 第二鉆場各鉆孔水平位置示意圖

根據淮北礦區井下揭露情況，由于冷凝作用，火成巖中一般出現大量的垂直導水裂隙。上隅角的瓦斯含量可通過火成巖垂直層面裂隙導通離層裂隙，因此鉆孔布置在該段的火成巖層中仍能起到抽采瓦斯的作用。綜合以上因素，考慮到鉆孔與巷道的水平夾角，對第二種情況正常推采期間，鉆孔終孔位置與風巷右幫的平距取在12～24m之間。

3.4 鉆孔直徑及鉆進

按照瓦斯抽采鉆孔的設計要求鉆進直徑?108mm的瓦斯抽采鉆孔，首先用直徑?133mm的鉆頭開孔6～10m后提鉆，然后下?110mm的套管6～10m，孔口注漿，固定套管安裝法蘭盤，為安裝瓦斯抽采管路做準備，然后用直徑?94mm的鉆頭繼續鉆進。如果鉆進順利終孔后直接用?108mm的鉆頭擴孔。

首先用小直徑的鉆頭鉆進是為了保證終孔數據的穩定性，因為直接采用?108的鉆頭鉆進，由于鉆頭直徑大而鉆桿（?73mm）較細，容易造成嚴重偏孔，終孔數據達不到設計要求，造成偏差。

4 瓦斯抽采效果分析

4.1 不同設計終孔位置鉆孔抽采情況分析

為了了解鉆孔不同施工參數對瓦斯抽采的影響，研究過程中對Ⅲ4414工作面第二鉆場至第四鉆場瓦斯抽采的各種數據進行了跟蹤測試。現以第二鉆場的4個鉆孔瓦斯抽采數據為例敘述。

4.1.1 鉆孔抽采數據

（1）1＃鉆孔抽采數據。1＃鉆孔平距為6m，法距為13m，孔深120m。由于鉆場距工作面距離的不同，瓦斯的抽采流量也不同，經統計1＃鉆孔瓦斯流量在0.79～43.5m3／h，平均14.97m3／h，總純瓦斯抽采量為11253.62m3。從圖5中可見1＃鉆孔有效抽采時間內，存在4個流量峰值。

圖5 1＃鉆孔瓦斯流量與距2＃鉆場距離關系

（2）2＃鉆孔抽采數據。2＃鉆孔平距為18m，法距為16m，孔深121m。經統計2＃鉆孔同期抽采量和瓦斯濃度均比1＃孔大，其中瓦斯濃度在3.89%～29%之間，平均12.84%，純瓦斯流量在1.13～53.75m3／h，平均24.86m3／h。總純瓦斯抽采量為17481.37m3。從圖6中可見，2＃鉆孔有效抽采時間內存在4個流量峰值。

圖6 2＃鉆孔瓦斯流量與距2＃鉆場距離關系

（3）3＃鉆孔抽采數據。3＃鉆孔平距為12m，法距為20m，孔深101.5m。經統計3＃鉆孔抽采期間抽采瓦斯濃度在3.89%～31.%之間，平均13.38%，純瓦斯流量在1.13～44.79m3／h，平均22.69m3／h，總純瓦斯抽采量為14573.06m3。從圖7中可見，3＃鉆孔有效抽采時間內存在4個流量峰值。

（4）4＃鉆孔抽采數據。4＃鉆孔平距為24m，法距為23m，孔深101m。經統計4＃鉆孔抽采期間抽采瓦斯濃度在3.89%～17.00%之間，平均10.42%，純瓦斯流量在0.81～43.50m3／h，平均21.34m3／h，總純瓦斯抽采量為12354.24m3。從圖8中可見，4＃鉆孔有效抽采時間內存在3個流量峰值。

4.1.2 數據分析

對同一鉆場而言，不同的鉆孔參數（鉆孔平距、法距及孔深），瓦斯抽采總量存在明顯差異，如第二鉆場4個鉆孔中，2＃孔和3＃孔瓦斯抽采總量較大，而1＃孔和3＃孔瓦斯抽采總量相對較小。不同的鉆孔終孔平距和法距，其瓦斯抽采的瓦斯濃度和單孔瓦斯抽采總量不同。

1＃鉆孔平距和法距均較小，鉆孔終孔在垂向上位于火成巖下部巖層中，1＃孔在水平位置上，根據計算結果，位于頂板巖層垮落角范圍內，在該區域巖層的采動裂隙相對不發育，因此瓦斯抽采量相對較小。

2＃孔和3＃孔終孔在垂向上位于火成巖中部，在水平位置上，與風巷的平距大于老頂垮落步距，在該區域內，受采動影響，無論是離層裂隙還是垂直裂隙均較發育，因此鉆孔瓦斯抽采總量相對較高。此外由于甲烷比空氣輕，易流向較高的區域，因此2＃和3＃孔抽采的瓦斯濃度也較1＃孔的平均濃度高。

4＃孔終孔位置在垂向上位于火成巖頂部，在水平位置上距風巷的平距較大，采空區離層裂隙易被壓實，瓦斯抽采總量減少。

4.2 鉆場抽采數據統計分析

在測試的3個鉆場中，抽采效果明顯。鉆場平均純瓦斯抽采量在1.37～2.14m3／min，最大抽采瓦斯濃度在7.6%～13.57%之間，日平均抽采量在1955.38～3084.39m3之間，各鉆場抽采總量在60616.82～151134.91m3之間，見表2。

表2 Ⅲ4414工作面部分鉆場瓦斯抽采率計算表

5 結論

影響頂板高位鉆場鉆孔抽采效果的關鍵因素就是頂板鉆孔的布置層位。由于煤層頂板巖層組合特征、巖石力學性質、地質構造條件及開采方式的不同，沿工作面回采時，煤層支撐影響區、離層區、重新壓實區的分布范圍有所不同，且頂板冒落帶及裂隙發育帶的高度也有所不同。因此，瓦斯高位抽采效果與抽放鉆孔的終孔位置、終孔平距、抽放鉆孔的終孔高度切相關。

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[3] 高洋，趙志強，丁自偉，馬成民，崔建勇.高位鉆孔瓦斯抽放技術在開灤礦區的應用[J].中國煤炭，2011（2）

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[5] 楊玉靜，李增華，陳奇偉等.RFPA2D數值模擬在高位鉆孔參數優化中的應用[J].煤炭技術，2010（5）

[6] 劉軍，彭擔任.沿突出煤層大巷掘進安全技術[J].礦業快報，2005（6）

Borehole parameter optimization and effect analysis of top corner gas drainage in Zhuzhuang coal mine

Hu Baolin1，Yao Jinbao1，Zhang Ying1，Chen Geng1，Nie Minzhong2，He Yunzhuo2

（1.Department of Earth and Enviroment，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；2.Zhuzhuang Coal Mine，Huaibei Mining Co.，Ltd.，Huaibei，Anhui 235052，China）

In order to prevent gas from exceeding limit in the return airway，especially in top corner，the gas drainage was carried out to ensure the safe production in the working face and take full advantage of gas resource.The key stratum theory of roof caving in the vacant place was used to optimize borehole parameters，such as bottom location of high－level boreholes，horizontal distance of borehole bottoms，borehole diameters and so on，based on the simulation data of mining－induced roof fracture and roof caving.The application results showed that the gas drainage efficiency was enhanced after the optimization of borehole parameters，ensuring the safe and high efficient production in No.Ⅲ4414working face.

borehole parameter，gas drainage，borehole，mining－induced fracture

TD712.6

A

國家自然科學基金資助項目（40872103）；國家“十一五”科技支撐計劃項目（2007BAK28B02）資助

胡寶林（1962－），男，江西南昌人，博士，教授，主要從事礦井地質教學與研究。

（責任編輯 梁子榮）