綜采工作面斷層影響區域順層鉆孔預抽瓦斯技術

葛 熙

（山西石港煤業有限責任公司，山西 晉中 032600）

1 工程概況

山西石港煤業有限責任公司行政區劃屬左權縣寒王鄉管轄，礦井生產能力0.9 Mt/a，采用斜井開拓方式，現階段正在進行15#煤層的開采。15#煤層具體的特征詳見表1 所示。處于準備階段的15210工作面地表位于疙料村溝，南部為石凹梁中部地段，北部為跑馬梁地段，地表無民房及其它建筑物。工作面煤層底板總體為一向南西方向傾斜的單斜構造，局部地段發育有次一級的向、背斜構造，工作面內存在一條較大的正斷層。15210 工作面回采前通過順層鉆孔進行本煤層瓦斯預抽工作，防止正常回采期間瓦斯涌出量過高的問題。根據以往的實際生產經驗，由于斷層附近構造應力的影響，煤層透氣性差，鉆孔施工困難，對于瓦斯的滲透和抽采效果造成很大影響，為改善斷層影響區域順層鉆孔瓦斯預抽效果，以15210 工作面為背景進行相關研究。

表 1 煤層特征情況表

2 斷層對鉆孔抽采半徑的影響

由于斷層的存在，附近煤巖體內的地應力重新分布，局部出現應力集中，煤體受到地應力作用更加明顯，透氣性受到影響，導致順層鉆孔的抽采半徑較小。為準確掌握15210 工作面內正斷層附近順層鉆孔的抽采半徑，設計在15210回風巷內進行現場試驗，采用壓力降低法現場測試鉆孔的有效抽采半徑[1]。降壓法是通過在抽采鉆孔兩側布置多個測試孔，根據測試孔內瓦斯壓力的變化確定抽采鉆孔的影響范圍?，F場測試時，共布置兩個抽采鉆孔，分別距斷層為15 m 和40 m。抽采鉆孔直徑為113 mm，深度為80 m。在抽采孔兩側分別布置兩個測試孔，孔深50 m，直徑94 mm。其中2#測試孔與抽采鉆孔的垂直距離為1 m，其余測試鉆孔間距為2.0 m?，F場測試鉆孔布置詳情如圖1 所示。

圖 1 鉆孔有效抽采半徑現場實測示意圖

現場測試期間，首先進行1#～4#測試鉆孔的封孔、抽放，待各個測試孔內瓦斯流量穩定后開始預抽孔的施工，繼續進行各個測試孔內的抽采，記錄抽采孔開始抽采前后各個測試孔的瓦斯流量。以距離斷層15 m 的預抽測試為例，得到4 個測試孔抽采瓦斯流量的變化規律如圖2 所示。

由圖2 所示結果可知，各個測試孔抽采初期瓦斯流量較高，隨著抽采時間的增加，瓦斯流量逐漸減小并趨于穩定。1#～4#測試孔平均瓦斯流量分別為2.0 L/min、1.8 L/min、1.85 L/min、1.95 L/min。預抽孔施工、封孔、預抽后，1#測試孔瓦斯流量相比預抽前繼續減小，最終穩定在0.75 L/min 上下；2#測試孔瓦斯流量增至3 L/min，最終穩定在2.4 L/min上下；3#測試孔瓦斯流量增大至2.2 L/min，并最終穩定在1.9 L/min 上下；4#測試孔瓦斯流量相比預抽前繼續減小，最終穩定在1.0 L/min 上下。綜上可得，2#測試孔（距預抽孔1.0 m）瓦斯流量比預抽前增大了33.3%，3#測試孔（距預抽孔2.0 m）瓦斯流量增大了5.4%，1#測試孔（距預抽孔3.0 m）、4#測試孔（距預抽孔4.0 m）瓦斯流量明顯減小。根據鉆孔有效抽采半徑測定原則[2]，可知距離斷層15 m 處的順層鉆孔有效抽采半徑為1.0 m。同理得到距離斷層40 m 處的順層鉆孔有效抽采半徑為2.0 m。斷層附近順層鉆孔間距應小于二倍的有效抽采半徑2.0 m，遠離斷層的鉆孔間距應小于4.0 m。順層鉆孔抽采過程中，各個鉆孔間常存在疊加抽采的現象，可適當增大抽采鉆孔間的距離，因此設計15210 工作面順層鉆孔施工實際間距為2.5 m。

圖 2 各測試孔作業前后瓦斯流量隨時間變化圖

3 斷層附近鉆孔施工技術研究

3.1 斷層附近鉆孔施工效果

15210 工作面采用順層鉆孔進行本煤層瓦斯預抽，由進風巷和回風巷分別布置順層鉆孔，鉆孔間距為2.5 m。鉆孔的詳細參數詳見表2，斷層附近順層鉆孔施工完成后成孔情況如圖3 所示。

根據圖3 所示結果可以看出，順層鉆孔設計長度為130 m，實際施工過程中將長度在80 m 以上的視為成孔。斷層附近共施工190 個鉆孔，其中成孔共75 個，成孔率僅39.5%。施工長度為50～80 m 的鉆孔共80 個，占鉆孔總數的42.1%，施工長度小于30 m 的鉆孔共27 個，占鉆孔總數的14.2%，且有8個鉆孔由于卡鉆現象放棄施工，占鉆孔總數的4.2%。綜上可以看出，斷層附近順層鉆孔施工效率極差，將嚴重影響該區域的瓦斯治理效果。

表 2 順層鉆孔參數表

圖 3 鉆孔成孔統計圖

3.2 “孔內高壓”施鉆工藝

由于斷層附近煤體結構更加松軟破碎、裂隙發育，順層鉆孔施工期間排渣量將明顯增大，煤渣不能及時排出，且鉆孔施工期間，鉆孔內壓力低于周圍煤體內的瓦斯壓力，瓦斯解吸使瓦斯壓力進一步增大，導致瓦斯積聚。瓦斯的突然釋放引發噴孔、塌孔、卡鉆等現象，嚴重影響鉆孔的施工效率及瓦斯抽采的效果。斷層附近順層鉆孔鉆進過程中卡鉆現象，可通過“孔內高壓”施鉆工藝解決。通過大功率空壓機提高鉆機的供風能力，使鉆頭周圍空氣壓力與煤體內瓦斯壓力相近，減小鉆孔周圍煤體內瓦斯壓力和空氣壓力的差值，減緩煤體內瓦斯解吸速度，緩解煤體內的瓦斯積聚現象，最終消除噴孔、卡鉆等現象，提高鉆孔施工效率和成孔率。參考相關研究成果[3-4]，鉆孔孔底的空氣壓力可以表達為：

式中：△Pa為空氣由鉆孔孔口送入孔底的壓力損失，Pa；△Psa為煤屑在孔底加速所需的壓力損失，Pa；△Ps為煤屑一定速度下在孔口送出附加的壓力損失，Pa；P0為大氣壓，Pa。

孔口處空氣以不可壓縮氣體計算，其沿程阻力損失△Pa計算公式為：

式中：△Pa0為沿程阻力損失，Pa；

鉆屑在孔底速度為零，在孔內5～10 m加速完成，則加速所需的壓力損失△Psa由下式計算：

式中：μ 為單位時間內，鉆孔鉆屑體積與牙縫內空氣流量比，1；

輸送鉆屑形成的阻力損失△Ps計算公式為：

式中：△Ps0為鉆渣在孔口被吹出的壓力損失，Pa。

參考相關的研究成果，取Pa0=0.1 MPa，μ=0.15，△Ps0=0.05 MPa，P0=0.1 MPa，由式（1）～（4）計算可得孔底最低壓力P=0.459 MPa。15#煤層原始瓦斯壓力為0.28 MPa，確定孔底壓力應為0.739 MPa 左右，空壓機設計壓力最大可達1.5～2.0 MPa，考慮到現場施工、經濟成本及空壓機運行中壓力的損失等因素確定空壓機的合理風壓為0.8～0.9 MPa。

為確保斷層附近順槽鉆孔瓦斯抽采效果，在現有鉆孔的條件下，首先進行成孔率較高區域的瓦斯預抽和鉆孔自然排放。抽采約一個月后，在斷層影響區域采用“孔內高壓”工藝進行鉆孔的施工。鉆孔覆蓋斷層上盤80 m 及下盤120 m 范圍，采用ZDY4500XLY型鉆機，共施工111 個鉆孔，空壓機的額定風壓為0.8～0.9 MPa?？紤]原有鉆孔的影響，將鉆孔布置在距離底板2.0 m 處，且與回采巷道軸線方向夾角80°，鉆孔長度為132 m，直徑為113 mm，間距2.5 m。鉆孔現場施工及布置詳情如圖4 所示。將施工長度超過100 m 的鉆孔視為成孔，實際施工過程成孔率超過80%，且未出現卡鉆等現象，鉆進效率明顯提升。

圖 4 鉆孔布置詳情

4 結論

在石港煤業15210 工作面斷層附近進行鉆孔預抽試驗，通過壓力降低法測得距斷層15 m 處鉆孔有效抽采半徑為1.0 m，距斷層40 m 處鉆孔有效抽采半徑為2.0 m，確定順層鉆孔的布置間距為2.5 m。根據鉆孔現場施工情況，斷層附近鉆孔的成孔率、抽采效果差，提出采用“孔內高壓”工藝重新進行鉆孔的施工。實際施工過程成孔率超過80%，且未出現卡鉆等現象，鉆進效率明顯提升，成功解決了斷層附近順層鉆孔的施工難題，取得了良好的工作面瓦斯預抽效果。