39021采面高位鉆孔抽采規律及布置層位研究

易書鋼，谷 峰，趙慶紅

（1.河南焦煤能源有限公司科學技術研究所，河南 焦作454150；2.河南焦煤能源有限公司中馬村煤礦，河南 焦作454350）

煤與瓦斯突出礦井綜采工作面瓦斯涌出主要形式為采空區瓦斯涌出，低透氣性煤層瓦斯抽采難度大、抽采效果差，采空區瓦斯涌出問題凸顯[1]。為了解決上述問題，近年來，焦作礦區九里山礦、古漢山礦、中馬村礦等礦井進行了高位鉆孔抽采采空區瓦斯技術的研究和應用，取得了一定效果，但存在部分鉆孔抽采濃度低、抽采流量小、孔口漏氣等問題。為解決上述問題，在中馬村礦39021工作面進行了高位鉆孔抽采規律及合理層位考察研究，前期初步考察高位鉆孔終孔位置距煤層頂板12～15 m（4～5倍采高）、距回風巷距離20 m附近，抽采效果好[2]，但是由于考察時間短、數據量少還需進一步研究考證。

1 采空區高位抽采相關理論

采煤工作面回采期間，上覆巖層會出現原有應力平衡的打破、應力重分配、應力再平衡過程。在此期間，巖層會發生移動和破壞，并在豎直方向上形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶見圖1，對合理確定高位鉆孔抽采區域具有非常重要的作用[3]。

冒落帶位于豎三帶的最下部，由于上覆巖層的自重和載荷應力作用，會出現巖層斷裂、破碎和巖石冒落采空區等現象。回采工作面向前推進時，采空區后方的冒落巖石將逐漸被壓實。冒落帶中下部的連通性和透氣性最佳，一般不容易積存瓦斯，瓦斯濃度較低[4]。

裂隙帶位于冒落帶上部，巖層維持了原有巖層的層狀結構。依據裂隙帶中裂縫和連通性情況，裂隙帶分為嚴重斷裂帶、一般斷裂帶、微小斷裂帶，嚴重斷裂帶和一般斷裂帶位于裂隙帶中下部，連通性和透氣性較好，該范圍易積存高濃度瓦斯[5]。

彎曲下沉帶范圍為裂隙帶上部至地表，巖層完整性較好和保留層狀結構，總體不變形或者較小的彎曲變形。裂縫、離層現象較少，瓦斯一般不會在該范圍內積存[6]。

圖1 覆巖破壞豎“三帶”

2 高位鉆孔抽采瓦斯工程實踐

2.1 工程概況

中馬村煤礦為煤與瓦斯突出礦井。39021工作面位于39采區西翼上部，北為3900工作面（未采），南鄰3904工作面（已回采結束），東到39皮帶下山保護煤柱，西至39采區邊界。采用走向長壁綜合機械化采煤法，全部垮落法處理采空區，“U”型通風。可采走向長約710m，傾斜寬101.5～126m，煤厚3.5～10.8m，煤層傾角4°～24°，可采儲量0.64 Mt。工作面內發育39#～36#（H=0～6 m∠60°）斷層、39#～55#（H=1.5 m∠65°）和39#～56#（H=0.7 m∠58°）三條斷層，地質條件較復雜，頂底板巖性見表1。原煤瓦斯含量為15.42～19.37m3/t，原始瓦斯壓力1.3MPa；煤層吸附常數a=44.5826m3/t，b=0.9738MPa-1，孔隙率為7.4%，工作面采用底抽巷預抽工作面瓦斯的區域防突措施，區域措施效果檢驗殘余瓦斯含量2.95～5.96m3/t、殘余瓦斯壓力0.1MPa，區域驗證采用鉆屑指標法q＜3.8 L/min、△h2＜117.6 Pa、S＜3.5kg/m，均小于臨界值。

表1 39021工作面煤層頂底板巖性

2.2 高位鉆孔合理層位及相關參數

冒落帶頂部和裂隙帶中下部瓦斯一般濃度較高，采空區高位抽采鉆孔布置一般優先考慮這一層位。

（1）合理布孔層位

中馬村礦煤層頂板的直接頂為砂巖，質硬、性脆，裂隙發育，老頂為粉砂巖，老頂和直接頂的厚度大于20 m。依據采動裂隙帶理論，采煤工作面采高為3.0m時，按中硬巖性經驗公式計算得冒落帶高度為6.8～11.2 m。裂隙帶高度為30.1～41.3 m。彎曲下沉帶為裂隙帶以上區域[7]。

依據39011工作面（已回采結束）高位鉆孔抽采效果考察結果：當高位鉆孔終孔位置距煤層頂12～15 m（4～5倍采高）時，瓦斯抽采流量大、抽采濃度高。鉆孔終孔位置布置在距回風巷距離20 m附近，頂板垮落卸壓效果明顯，抽采濃度高，且頂板巖性弱時有效抽采裂隙帶高度降低。

考慮到39021工作面巖性與39011工作面有一定差異，39021工作面設計終孔層位按距煤層頂板18～24m、距回風巷水平投影0～28m，設計孔深68～80m、孔徑Φ94 mm。

（2）合理布孔數量

鉆場內鉆孔的合理數量應根據工作面需要抽采的瓦斯純流量、瓦斯抽采濃度、封孔管直徑等因素確定[8]，見式（1）。

式中：N為高位鉆孔數量，個；Q為高位鉆孔需抽采瓦斯總流量，m3/min；D為高位鉆孔直徑，m；V為高位鉆孔抽采管流速，m/s；C為高位鉆孔抽采濃度，%。

參考39011工作面回采期間瓦斯涌出量，預計39021工作面采空區最大瓦斯涌出量3.62m3/min，則高位鉆孔最大需抽瓦斯量3.62m3/min。

若39021工作面高位鉆孔設計管徑Φ94 mm、瓦斯濃度60%、高位鉆孔抽采管流速15 m/s，在39021回風巷設計施工9個抽采鉆場，則每個鉆場應至少施工4個高位鉆孔。

（3）有效利用率及有效長度

回采工作面推進過程中，高位鉆孔逐漸進入采空區。在此期間，鉆孔離頂板距離總體逐漸減小，鉆孔作用范圍為自裂隙帶中上部降低到冒落帶，抽采效果一般有所降低甚至失效[9]。從39011工作面考察結果可知，高位鉆孔有效效率0.61～0.72，鉆孔有效長度48～50.2m，總體效率比較理想，故39021工作面高位鉆孔設計可參考39011工作面。

（4）鉆場間距和壓茬距離

高位鉆場間距是影響鉆場內高位鉆孔有效長度的重要因素[10]。最佳鉆場間距應確保前一個鉆場內高位鉆孔抽放效果降低時，相鄰鉆場的高位鉆孔能及時起作用，并使高位鉆場內鉆孔始終處于理想的抽采層位，即保證相鄰的兩組高位鉆孔既有合理的疊加，又能保證抽采效果的延續[11]。從39011工作面試驗考察情況來看，39011鉆場間距為40m，壓茬距離30m時能達到上述效果。故39021工作面高鉆場間距按40m，壓茬距離30 m。

（5）鉆孔封孔深度

39011工作面高位孔封孔深度18m，采用封孔工藝“兩堵一注”，工作面回采期間孔口不漏氣且抽采濃度較理想，故39021工作面高位鉆孔封孔深度按18m，采用“兩堵一注”封孔工藝。

2.3 高位鉆孔的布置層位

39021工作面高位孔從切眼以西80m處開始，每隔40 m布置一組高位孔，共施工9組，每組4個孔，呈扇形布置，終孔層位距煤層頂板18～24m，距回風巷水平投影0～28m，設計孔深68～80m，孔徑Φ94 mm，每組鉆孔壓茬距大于30 m。平剖面見圖2、圖3。

圖2 39021工作面高位鉆孔布置平面

圖3 39021高位鉆孔布置剖面

3 抽采效果考察

為測試高位孔抽采參數，在39021回風巷各組高位孔安裝孔板流量計，每2～3天利用綜合參數測定儀測定瓦斯濃度、流量、負壓等參數。由于瓦斯抽采規律的復雜性，往往對單獨的一組鉆孔進行分析偶然因素太多，可靠性較低[12]，為了簡化模型，將9組鉆孔的抽采數據全部統計到一個坐標系里，不考慮過斷層、停產等因素影響時段與終孔距頂板距離的變化關系，綜合考慮上述數據，來分析高位孔抽采規律。

3.1 終孔距頂板距離變化下的瓦斯抽采、涌出規律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統一到以終孔距頂板的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數見圖4。

圖4 終孔距頂板距離不同條件下的綜合參數

圖4中終孔距煤層頂板在6.5～14 m層位情況下，瓦斯抽采純流量相對較高，結合抽采濃度和回風流瓦斯濃度觀測數據，可知在終孔距煤層頂板10～14 m層位時，瓦斯抽采效果最好，該范圍是39021工作面高位鉆孔布置的理想層位。

3.2 終孔距回風巷中線距離變化下的瓦斯抽采、涌出規律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統一到以終孔距回風巷中線的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數見圖5。

圖5 終孔距回風巷距離不同條件下的綜合參數

圖5中終孔距回風巷中線距離在2～8m、11～19m的情況下，瓦斯抽采純流量相對較高。結合抽采濃度和回風流瓦斯濃度觀測數據，可知終孔距回風巷中線下方水平距離11～17m時，瓦斯抽采效果最好，該范圍是39021工作面高位鉆孔布置的理想位置。

3.3 孔口距切眼距離變化下的瓦斯抽采、涌出規律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統一到以孔口距切眼的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數見圖6。

圖6 孔口距切眼距離不同條件下的綜合參數

圖6中孔口距切眼距離20～56m的情況下，瓦斯抽采純流量相對較高；結合抽采濃度和回風流瓦斯濃度觀測結果可知，孔口距切眼距離在29～56m時，瓦斯抽采效果最好，根據鉆孔傾角計算，對應的終孔距煤層頂板7～13 m層位。

4 結語

對中馬村礦39021工作面高位鉆孔抽采規律及布置層位相關研究表明：

1）39021工作面回采期間采空區瓦斯抽采效果良好，風流瓦斯大大減小，應用效果理想，說明當前高位鉆孔的布置層位總體合理。

2）在終孔距煤層頂板在10～14 m層位情況下，瓦斯抽采效果最好，是高位鉆孔布置的最佳層位。

3）在終孔距回風巷中線下方水平距離11～17m的情況下，瓦斯抽采效果最好，是高位鉆孔布置的最佳水平位置。

4）孔口距切眼距離29～56m的情況下，瓦斯抽采效果最好，根據鉆孔傾角計算，對應的終孔距煤層頂板7～13 m層位，是高位鉆孔抽采效果較理想的區域。