高位定向長鉆孔抽采技術在上隅角瓦斯治理中的應用

李 蓬 勃

（陜西陜煤韓城礦業有限公司，陜西 韓城715400）

0 引 言

隨著機械化開采強度增加，煤炭回采工作面瓦斯涌出增大，瓦斯涌出治理成為礦井需要解決的重要課題[1-3]。

從瓦斯涌出來源上著手，礦井可以實際情況制定不同的治理技術措施。但由于煤層賦存較為復雜，以及治理措施可能存在技術和執行上的缺陷，最終瓦斯涌出治理的重點依然在抽采采空區瓦斯，防治上隅角處瓦斯超限[4-6]。

目前普遍采用的采空區瓦斯治理方法主要有要有高抽巷法、尾巷法、埋管法、普通高位鉆孔法等，這些方法在一些礦區取得了較好的治理效果，然而存在一些成本高、效率低和限制使用的缺陷。隨著裝備技術的發展，定向長鉆孔技術日趨成熟，鉆孔軌跡可控，覆蓋范圍廣，鉆孔施工位置選擇方便。目前，我國眾多礦井均開始試驗采用高位定向長鉆孔治理工作面上隅角瓦斯并取得了較好的效果[7-10]。

1 試驗礦井概況

象山礦井主要開采3# 和5# 煤層，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為24m3/min，屬高瓦斯礦井。5#煤層工作面采用" 本煤層鉆孔預抽+ 仰角高位裂隙鉆孔抽放+上隅角埋管"瓦斯治理措施。由于仰角高位裂隙鉆孔設計層位及鉆孔有效長度有限，回采期間其鉆孔長度隨著工作面回采推進度，頂板冒落，鉆孔隨之被切斷，鉆孔服務有效周期較短，鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采量不穩定；上隅角埋管受抽采管徑限制抽采流量小，工作面瓦斯治理效果有待進一步提升。

象山礦井5#煤層采煤工藝為綜采，全部垮落法管理頂板。5#煤層平均回采厚度為2.5m，屬較穩定的中厚煤層。直接頂為細砂巖或者中砂巖、粉砂巖，致密堅硬，厚5～20m。基本頂為細砂巖、中粒砂巖，較堅硬，中厚層狀，一般在3.0m 左右。

象山礦井5#煤層頂板巖性具備施工定向長鉆孔條件，技術上可行，提出采用頂板定向長鉆孔治理象山礦井5#煤層回采工作面采空區瓦斯。

2 高位定向鉆孔設計

定向高位抽采鉆孔的層位選擇對項目成功實施至關重要，定向高位抽采鉆孔布置太低，鉆孔處于冒落帶范圍內，隨著工作面推進，鉆孔與采空區溝通，瓦斯抽采流量大，瓦斯抽采濃度低，瓦斯抽采純量不大。如果鉆孔布置層位太高，鉆孔處于彎曲下沉帶內，裂隙發育不充分，定向高位鉆孔瓦斯抽采濃度較高，但是瓦斯抽采純量小，解決工作面瓦斯涌能力有限。根據瓦斯富集理論，高位定向長鉆孔合理布置位置如圖1 所示。

圖1 高位定向長鉆孔抽采采空區瓦斯示意圖

2.1 定向長鉆孔豎向層位選擇

定向高位抽采鉆孔既要能保證能大量抽出瓦斯，又能在工作面推進過后保持相當一段距離不被破壞，從而保證瓦斯量，鉆孔布置應在采空區上方的裂隙帶內即瓦斯富集區，且該區位煤巖體裂隙發育，在抽采起作用時間內不易被巖層垮落所破壞，鉆孔位置的選擇應在裂隙帶中。根據垮落帶和裂隙帶計算結果，垮落帶高度為2.5～7m；計算結果裂隙帶高度為23～30m。頂板定向長鉆孔應布置在距頂板23～30m 之間，使之處于裂隙帶內。12506 工作面上覆3#煤層工作面回采完畢，3#煤層與5#煤層層間距26～30m 之間，鉆孔布置要避開上鄰近層采空區對頂板定向長鉆孔抽采影響，設計將鉆孔布置在頂板細砂巖、中砂巖、粉砂巖巖層中。因此，頂板定向長鉆孔終孔布置在5#煤層頂板向上垂距15～22m之間，5 個高位鉆孔布置層位高度如圖2 所示。

圖2 高位定向長鉆孔布置垂高

2.2 定向長鉆孔內錯距離選擇

一般頂板定向長鉆孔與回風巷水平距離的選擇時應考慮以下幾個因素：若布置在工作面中部，由于距冒落拱頂部較近，與采空區連通性強，易抽入空氣，因而不宜布置在中部。從通風角度看，靠進風一側布置，采空區內瓦斯濃度低，遠距離頂板巷道抽放效果不好；若靠回風一側布置，采空區內瓦斯濃度高，遠距離頂板巷道抽放效果好。保證定向高位抽采鉆孔處于充分卸壓后的裂隙帶范圍內，同時還需考慮工作面通風負壓動力影響，會造成采場瓦斯向回風側移動的趨勢。定向高位抽采鉆孔距回風巷水平投影距離一般定為15～45m。

結合煤層頂板頂板裂隙帶和冒落帶高度計算結果，根據工作面頂板垮落"O" 型圈原理，考慮鉆孔投影平距的影響，本次設計頂板定向長鉆孔平面投影距離內錯回風巷0～45m，5 個高位鉆孔布置內錯參數如圖3 所示。

圖3 高位定向長鉆孔布置內錯參數

2.3 定向長鉆孔孔徑選擇

為考察不同孔徑瓦斯抽采效果，12506 工作面瓦斯涌出量預測絕對瓦斯涌出量18～24m3/min，頂板定向長鉆孔需要解決的瓦斯純量為12m3/min，鉆場抽采濃度按照15%計算，鉆場抽采混量需要達到80m3/min, 則需布置3 個φ120mm 鉆孔、1 個φ165mm 鉆孔、1 個φ203mm 鉆孔既能滿足需要。因此此次設計1、2、3#鉆孔孔徑為120mm，4#鉆孔孔徑203mm，5#鉆孔孔徑165mm，孔深410m。

3 高位定向長鉆孔施工情況

3.1 鉆探設備

采用ZYL-17000D 型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機，適用于巖石堅固性系數f≤10 的巖層和部分煤層。鉆機配套YSX15 礦用隨鉆測量系統，可隨鉆測量鉆孔傾角、方位角、工具面向角等主要參數，同時可實現鉆孔參數和軌跡的實時顯示，并及時調整彎頭方向和工藝參數，實現精確鉆進。

螺桿馬達采用φ89mm 螺旋槽螺桿馬達，無磁鉆桿采用φ89mm 螺旋槽無磁鉆桿。定向鉆桿使用螺旋槽通纜鉆桿，鉆桿φ89mm，長度3m；配套定向鉆頭使用直徑120mm 胎體式平底鉆頭或四翼弧形鉆頭。采用螺旋槽通纜鉆桿和擴孔外平鉆桿水排渣，定向鉆進和回轉鉆進的施工工藝。

3.2 鉆孔竣工情況

5 個頂板高位定向長鉆孔施工工期32 天，6 月3 日開始施工，7 月4 日施工結束，共計施工5 個鉆孔，其中1、2、3#鉆孔孔徑為120mm，工程量1233米；4# 鉆孔孔徑Ф203mm，工程量393m；5# 鉆孔孔徑Ф165mm，工程量411m；合計有效工程量2037m。

圖4 高位定向長鉆孔施工軌跡剖面圖

4 采空區抽采瓦斯治理效果分析

5 個高位定向長鉆孔施工完畢后，統一連接抽采，此時工作面已回采至一半，采空區區域較大，隨著頂板周期來壓頂板裂隙發育充分，抽采通道形成，采空區抽采瓦斯流量以及抽采濃度一直保持在較高的水平。抽采初期1#至5#高位定向長鉆孔抽采參數變化曲線如圖5～圖9 所示。

可以看到，5 個高位定向長鉆孔抽采濃度14%～22%，抽采混合流量12～19m3/min，單孔抽采瓦斯純量約為2.5～5.0m3/min，采空區瓦斯抽采效果良好，其中以5#高位定向長鉆孔抽采效果最佳。隨著工作面繼續向前推采，高位定向長鉆孔抽采量進一步增加，上隅角甲烷濃度由原來0.5%左右，下降至0.4%左右，工作面安全生產得到有效保障，高位定向長鉆孔抽采流量與上隅角濃度關系如圖10 所示。

圖6 2#高位定向長鉆孔抽采參數變化曲線

圖7 3#高位定向長鉆孔抽采參數變化曲線

圖8 4#高位定向長鉆孔抽采參數變化曲線

圖9 5#高位定向長鉆孔抽采參數變化曲線

圖10 高位定向長鉆孔抽采流量與上隅角濃度關系

象山礦井試驗回采工作面采用“本煤層鉆孔抽放+ 頂板高位定向長鉆孔抽放+ 風排瓦斯治理模式”。5 個頂板定向長鉆孔合計抽采瓦斯純量19.74m3/min 而試驗工作面絕對瓦斯涌出量27.34m3/min，因此5 個頂板定向長鉆孔抽采比重占比工作面的絕對瓦斯涌出量72%。通過施工頂板定向長鉆孔抽采采空區瓦斯，工作面省去了普通高位鉆孔和采空區埋管抽采措施，節省大量人力和成本。

1#鉆孔布置在回風巷巷道正上方，考慮受巷間保護煤柱影響靠近回風順槽采空區一側的頂板不能及時垮落，裂隙帶和冒落帶高度低，鉆孔布置層位選擇較低；同時鉆孔布置在回風巷正上方使得鉆孔抽采負壓點在上隅角上部，可有效攔截采空區漏風帶出的瓦斯；在鉆場抽采末期2#～5#鉆孔抽采效果下降的情況下，1#鉆孔攔截采空區漏風帶出的瓦斯治理效果最為明顯。

5 結 論

1）依據上覆巖層的“三帶”分布，頂板高位定向長鉆孔的位置選擇在裂隙帶中下部鄰近層裂隙發育密集層位、瓦斯富集區。通過瓦斯抽采效果試驗驗證，象山礦井5#煤層回采后，頂板定向長鉆孔布置層位高度應在約8～10 倍采高層位，即采空區瓦斯富集區。

2）通過對5 個高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果試驗研究分析，回采工作面絕對瓦斯涌出量18～24m3/min， 頂 板 定 向 長 鉆 孔 設 計 長 度 在350～450m，鉆孔布置層位高度20～22m，水平內錯距離0～45m，鉆孔孔徑不低于120mm，抽采負壓在15kPa 以上，即能滿足回采工作面瓦斯治理需要。

3）通過進行5#煤層頂板定向長鉆孔抽采技術應用研究，5#煤層回采工作面在仰角高位裂隙鉆孔和上隅角埋管全部停抽情況下，實現了日產量增加；工作面上隅角瓦斯濃度由此前長期維持在0.7%降至0.4%左右，實現了替代普通高位裂隙鉆孔和采空區埋管抽采措施的目標。