回采工作面高位抽采鉆孔布置與應用

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團公司辛置礦2-559工作面位于450水平南五采區，工作面北為2-534工作面采空區，東部為2-560掘進工作面，南部為310回風巷、310皮帶巷及310軌道巷，西部為上跑蹄風井與工業廣場保安煤柱。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.35～4.10m，平均厚度為3.75m，頂板巖層為泥巖和K8中細砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖。工作面采用一次采全高采煤法，通風方式為U型通風，工作面煤層瓦斯原始含量為7.3m3/t。

2-559工作面原始瓦斯含量已滿足《煤礦瓦斯抽采基本指標》中工作面回采前煤層瓦斯含量必須降至8m3/t以下的要求[1]，但2#煤是煤與瓦斯突出煤層，煤層透氣性系數為0.35 m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯衰減系數為0.0031d-1，屬于可抽采煤層。為了防止工作面回采期間瓦斯超限事故的發生，工作面采用本煤層預抽+高位鉆孔裂隙抽采+上隅角埋管抽采的抽采措施。為確保高位鉆孔的抽采效果，針對高位抽采鉆孔的布置參數進行研究與設計。

2 高位鉆孔參數設計

2.1 鉆孔參數確定

隨著工作面回采作業的進行，上覆巖層裂隙帶會逐漸發育，為瓦斯的運移提供流動通道，為保障高位鉆孔的抽采效果，進行鉆場巷道、鉆孔鉆場步距、鉆孔孔徑、鉆孔落空位置及高位鉆孔布孔間距等參數的設計分析。

（1）鉆場巷道選擇

隨著2-559工作面回采作業的進行，上覆巖層在采動影響下會逐漸產生裂隙，覆巖內部的滲透性會逐漸增強，處于裂隙帶的瓦斯一部分在通風風壓的作用下，會由工作面采空區運移至上隅角及回風巷，具體采空區風流方向見圖1；另外一部分瓦斯處于紊流狀態，瓦斯在自然狀態下會逐漸向上漂浮，主要分布在裂隙帶及上隅角的區域，。基于上述瓦斯分布情況，將鉆場布置在回風巷內，能夠減小鉆場與瓦斯流之間的距離關系，從而有效的提升高位鉆場的瓦斯抽采量。

圖1 采空區風流分布

（2）高位鉆場步距確定

高位鉆孔鉆場的間距會受到覆巖賦存特征、周期來壓步距、巷道工程特點等眾多因素的影響。進行鉆孔步距的確定時，應保障兩個鉆場之間的瓦斯抽采濃度能夠有效的銜接，確保瓦斯的抽采量。根據同采區已采工作面的礦壓資料可知，工作面的周期來壓步距為14～22m，平均來壓步距為17.3m，據此初步確定出鉆場的步距為18m，根據同采區已采工作面的高位鉆場的瓦斯抽采濃度，對初步確定的鉆場步距進行驗證，現選取已回采完畢的2-534工作面7#鉆場及8#鉆場瓦斯抽采期間的抽采混合量及抽采純量進行具體分析，見圖2。

圖2 瓦斯抽采混合量及抽采純量曲線

分析圖2可知，高位鉆場的瓦斯抽采混合量在鉆場距工作面18m時，抽采混合量開始逐漸下降，瓦斯抽采純量在距離工作面21m時，開始出現逐漸下降的趨勢。因此，為確保鉆場抽采間的連續性，確定2-559工作面鉆場間步距為21 m。

（3）高位鉆孔孔徑選擇

高位鉆孔瓦斯抽采中，鉆孔孔徑的直接關系到瓦斯抽采量，當鉆孔孔徑較小時，會導致抽采的瓦斯量少，當孔徑過大時，會導致出現抽采混合量大、純量小的現象，本次2-559工作面確定高位鉆孔孔徑時，通過試驗對比分析的方式進行，結合相關研究及工程實踐[2-3]，在工作面打設孔徑分別為94 mm和153 mm的鉆孔，進行抽采混合量及抽采純量的對比分析，試驗結果見圖3。

圖3 不同鉆孔孔徑下抽采混合量及純量曲線

分析圖3可知，高位鉆孔孔徑為94 mm抽采混合量小于鉆孔孔徑153 mm，鉆孔孔徑為153 mm瓦斯抽采純量比鉆孔鉆徑94 mm 高，而且在94 mm孔徑下瓦斯抽采的混合量，隨著距工作面距離的增大呈現出現明顯減小的趨勢。因此，確定高位鉆孔的孔徑為153 mm。

（4）高位鉆孔落孔位置選擇

高位鉆孔抽采主要針對裂隙帶區域[4]。根據礦井地質資料，結合鄰近工作面的生產經驗預測2-559工作面回采期間冒落帶的發育高度約為15～17m，裂隙帶的發育高度68～78m，覆巖中裂隙較為發育的區域主要為頂板上方20～45 m高度的區域，考慮到抽采效果，同時為保障高位抽采鉆孔不受到破壞的因素，確定將高位鉆孔布置在裂隙帶的中下部，即高位鉆孔的落空位置在距離頂板25～30m的范圍內。

（5）高位鉆孔布孔間距

根據2-559工作面頂板巖層覆存以泥巖和細砂巖交替分布為主，在鉆孔直徑為153 mm時，瓦斯抽采的有效半徑為1m，基于此確定布置高位鉆孔的孔間距為2 m。具體不同鉆孔布孔間距時瓦斯抽采流場見圖4。

圖4 高位鉆孔不同鉆孔間距時瓦斯抽采采流場

2.2 高位鉆孔布置方案

基于上述各項高位鉆場鉆孔各項參數的分析，確定高位鉆孔布置于回風巷內，首個鉆場布置在距離工作面90m的位置處，鉆場間的步距為21m，鉆孔的終孔高度在頂板25～30m的范圍內，鉆孔的間距為2m，具體回風巷內鉆場及鉆孔布置見圖5。

圖5 鉆場走向及剖面布置

每個鉆場內布置9個高位鉆孔，不同鉆場間鉆孔的施工參數相同，具體各個鉆孔的布置施工參數見表1。鉆孔封孔采用PVC管+聚胺脂材料，封孔長度為10 m。

表1 高位鉆孔施工參數

3 抽采效果分析

為驗證分析2-559工作面高位鉆孔的瓦斯抽采效果，在鉆孔抽采期間進行抽采監測作業，現以2010年10月1日～2010年11月11期間高位鉆孔的瓦斯抽采量曲線圖進行具體分析，曲線見圖6。

圖6 高位鉆孔瓦斯抽采量曲線

分析圖6可知，10月1日～11月11日高位鉆孔抽采期間，鉆孔抽采瓦斯混合量最低為52.83m3/min，最高為89.93m3/min，平均抽采瓦斯混合量為74.5m3/min；高位鉆孔抽采純量最低為9.5m3/min，最高為13.84m3/min，平均抽采純量為11.34m3/min，瓦斯的抽采濃度平均為12.3%，最高抽采濃度達到20%。基于上述數據可知，結合工作面概況知瓦斯絕對涌出量為34m3/min，2-559工作面高位鉆孔的平均瓦斯抽采量占到工作面瓦斯涌出量的33.4%，抽采瓦斯濃度的均值也較高，說明工作面高位鉆孔布置參數合理，能夠滿足工作面的安全生產需求。

4 結語

根據2-559工作面煤層瓦斯賦存情況及工作面具體地質資料，通過具體分析高位鉆孔瓦斯抽采中鉆場巷道、鉆孔鉆場步距、鉆孔孔徑、鉆孔落空位置及高位鉆孔布孔間距的參數，設計高位鉆孔瓦斯抽采方案，根據抽采監測結果得出，高位鉆孔布置參數合理，抽采效果顯著。