綜采工作面高位裂隙瓦斯抽采鉆孔優化設計

趙軍平，仵勝利

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

陜西黃陵二號煤礦有限公司位于陜西省黃陵縣西北方向，東距縣城約55km。黃陵礦區西北部，行政隸屬黃陵縣雙龍鎮。礦井井田總面積375.6km2，地質儲量9.75億t，可采儲量6.2億t。2003年開工建設，主要開采煤層為侏羅系中統延安組2#煤層，該煤層瓦斯分布差異較大。目前礦井設有2個回采工作面和6個掘進工作面。

二號煤礦近5年來一直被鑒定為高瓦斯礦井，其中2017年絕對瓦斯涌出量為87.89m3/t，礦井開采煤層為侏羅系中統延安組2#煤層。相比礦井其他盤區，二盤區所布置的201、203、205、207等工作面煤層原始瓦斯含量相對較高，同時加之該盤區內的頂底板賦存有油型氣，使得本煤層高瓦斯區域內瓦斯防治工作異常艱巨。

1 工作面高位裂隙鉆孔現狀

1.1 207工作面概況

207工作面位于井田二盤區西南位置，所處區域為一寬緩向斜構造，地層傾角在0°～3°，據勘探結果顯示，該區域內地層較為平緩，無較大起伏及斷層存在，該工作面為“U+L”通風，工作面回風順槽長度4739m，進風順槽長度4547m，工作面長度279m，留保護煤柱150m，可采長度4366m。煤層平均厚度3.2m。該工作面屬于典型的煤、油、氣共生工作面，根據工作面兩順槽在掘進期間通過施工的頂底板探測鉆孔所掌握的頂底板及本煤層瓦斯賦存情況，得出207工作面瓦斯富集區分布如下：①頂板瓦斯(油型氣)富集區—進風順槽2573m至工作面切眼，回風順槽3247m至工作面切眼；②底板瓦斯(油型氣)富集區—進風順槽1686～2954m，回風順槽1763～2600m；③本煤層瓦斯富集區—進風順槽2573m至工作面切眼，回風順槽3247m至工作面切眼。

207工作面從掘進至回采，先后綜合應用了掘進工作面邊探邊掘、邊掘邊抽、采前預抽、頂底板抽采、頂板走向高位裂隙抽采、上隅角埋管抽放等多種抽放形式，使得工作面瓦斯(油型氣)含量下降明顯，其中本煤層瓦斯含量可降低50%以上。但由于底板瓦斯(油型氣)在經過采動泄壓使得圍巖形成裂隙后方可高效抽采，因此無法提前進行預抽，同時隨著工作面回采，頂板持續垮落，頂板部分瓦斯(油型氣)會進入采空區，導致工作面在回采過程中，兩順槽超前段在采動影響下瓦斯(油型氣)涌出顯著，集中體現在工作面上隅角瓦斯濃度長期居高不下[1-3]。而防治上隅角瓦斯超限，最主要和有效的手段就是施工高位裂隙鉆孔進行采空區泄壓抽采[4-6]。

1.2 207工作面高位鉆孔施工現狀

207工作面在正常回采期間，高位裂隙鉆孔施工主要是在工作面回風巷主幫每50m布置一個鉆場，每個鉆場以扇形方式布置高位裂隙抽采鉆孔，鉆孔孔數為9～15個，鉆孔重疊距離為70m，終孔點高度距順槽頂板為8～38m，鉆孔開孔間距為0.3～0.5m，封孔長度為10m，孔徑為94mm，具體如圖1所示。

圖1 207工作面高位裂隙瓦斯抽采鉆孔平面布置示意圖

2 高位鉆孔優化分析和實踐

2.1 高位抽采效果分析

在日常對高位裂隙鉆場鉆孔進行周期檢測期間，發現部分鉆孔抽采濃度偏低及濃度衰減較快，造成鉆場抽采效果不佳，加之工作面進入底板油型氣富集區后，上隅角瓦斯波動較大，時常需使用風障進行導風。為了提高工作面上隅角瓦斯治理效果，保證工作面安全生產，經對15～17鉆場鉆孔瓦斯抽采濃度進行檢測、記錄、總結，分析結果見表1。可看出鉆場14個高位裂隙鉆孔中抽采濃度基本穩定在50%的只有1個鉆孔(7#孔)，有6個鉆孔抽采濃度波動較大，剩余鉆孔濃度基本維持在20%以下。鉆場鉆孔整體抽采情況較差，具體分析情況如圖2所示。

表1 207工作面高位裂隙瓦斯抽采鉆孔施工設計參數表

圖2 高位裂隙鉆孔瓦斯抽采濃度衰減趨勢圖

2.2 工作面裂隙帶的界定

為了改變目前高位裂隙抽采現狀，提高鉆孔抽采效率，首要工作必須找準207工作面裂隙帶分布，根據現行《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，對應緩傾斜(0°～35°)煤層覆巖為中硬巖層時，煤層采后覆巖導水裂隙帶高度的預計公式如下

(1)

(2)

式中：HLi—導水裂隙帶高度，m；∑M—累計采厚，m。

207工作面2#煤層全煤層回采(單層開采)，∑M取3.8 m計算，由公式(1)和公式(2)計算207工作面采后覆巖導水裂隙帶高度為45 m和49 m，由此分析得知，原有施工的高位裂隙鉆孔終孔位置偏低，未達到裂隙帶層位。

2.3 鉆孔施工設計優化

根據207工作面裂隙帶高度計算結果和203、205工作面高位裂隙帶分布情況(15～45 m)，將207高位裂隙鉆孔控制范圍進行調整，如圖3所示，相比前期鉆孔布置，本次主要將鉆孔控制垂高進一步增加，由原來的8～38 m提高至15～45 m，鉆孔平距暫未作調整。按照此參數施工3個試驗鉆場，每天安排專人進行周期檢測，同時建立高位鉆孔全生命周期管理臺賬。通過一段時間的觀測，發現垂高增加的鉆孔，瓦斯抽采濃度有了提高，同時布置在靠近工作面中間的鉆孔(13#、14#)抽采濃度持續保持在80%以上，且衰減速度較慢。依據此現象，鉆孔布置方式仍需優化。

圖3 207工作面回風巷高位裂隙瓦斯抽采鉆孔平面布置示意圖

2.4 鉆孔施工設計再優化

針對前期優化后所反映出的情況，本次優化針對圖3布置方式存在的問題進行了再次優化，在保持當前鉆孔垂距的同時，增加大角度(夾角)鉆孔。并向工作面中間布置。由于水平控制范圍增加，使得鉆孔終孔間距過大，需要增加鉆孔數量，為了不額外增加工作量，本次鉆孔設計只將鉆孔雙向間距適當增加，具體如圖4所示。

2.5 高位抽采優化后效果分析

對以圖4方式布置鉆孔進行周期觀測后，發現高位裂隙鉆孔抽采瓦斯濃度提升顯著，特別是高層位控制鉆孔尤為明顯，經對監測數據整理如圖5所示，可以看出鉆孔抽采效果相比圖2提升明顯，其中9月15日和9月16日為鉆場開始抽采時的濃度，由于鉆場距工作面為110 m，導致鉆孔控制范圍和工作面礦壓影響區域未接觸。因此抽采濃度普遍偏低，經過工作面進一步回采，當鉆場在距工作面92 m時(9月17日)，鉆孔抽采濃度迅速提升，在13個高位鉆孔中，抽采濃度在20%以下的只有2個鉆孔，且有9個孔抽采濃度保持在50%以上。

圖4 207工作面回風巷高位裂隙瓦斯抽采鉆孔平面布置示意圖

圖5 高位裂隙鉆孔瓦斯抽采濃度衰減趨勢圖

本次對207工作面回風巷高位裂隙瓦斯抽采鉆孔優化，使得單孔抽采效率顯著提升，如圖6所示，高濃度抽采鉆孔數量明顯增加，如圖7所示，工作面上隅角瓦斯保持在0.4%，且杜絕了上隅角使用風障導風現象，工作面抽采率從81%提升至89%。風排瓦量符合陜西省政府下發的關于綜采工作面風排瓦斯量小于5 m3/min的規定。

圖6 11#高位裂隙鉆孔優化前后抽采瓦斯濃度對比圖

圖7 高濃度鉆孔裂隙鉆孔瓦斯抽采濃度衰減趨勢圖

3 結語

由于207工作面布置在本煤層高瓦斯區域，且工作面頂底板賦存有瓦斯(油型氣)，工作面在日常生產期間依然存在鉆孔施工量較大，同時還面臨鄰近層瓦斯(油型氣)威脅。因此后期瓦斯防治工作還需多方面深層次地進行探索、優化和提升，并認清其必要性與緊迫性，不斷做精做優二號煤礦綜采工作面瓦斯防治工作。