基于三帶高度測定的定向長鉆孔瓦斯抽采技術

孫世鋒 劉 飛

（1.山西長治郊區三元南耀小常煤業有限公司，山西 長治 046013；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著國內煤礦開采深度的不斷增加，煤體中伴隨有游離狀態和吸附狀態的瓦斯氣體隨之加大，煤層賦存的地質條件越來越復雜，造成煤礦瓦斯危害越來越大，瓦斯治理難題成為了制約煤礦生產的主要因素之一。小常煤業3 號煤層綜采工作面回采過程中，工作面瓦斯涌出量相當一部分來自于鄰近層及采空區，為此小常煤業在以往工作面回采時，在回風順槽采幫掘進高位巖石鉆場，并在鉆場內施工孔深 400 m、孔徑Ф193 mm 的頂板高位鄰近層鉆孔抽采鄰近層、采空區及上隅角瓦斯，能夠攔截鄰近層涌出的瓦斯，并對工作面后部采空區積聚的瓦斯起到抽采牽制作用，減少了工作面生產過程中上隅角及回風流瓦斯濃度。但隨著工作面采掘工作的不斷深入，瓦斯涌出量不斷增大，加之工作面地質條件不斷變化，頂板高位鉆孔的缺點也逐漸體現出來。首先工作面地質條件存在一定起伏變化，鉆孔不能隨煤層的變化而變化，因此鉆孔抽采高度不穩定，導致抽采數據不穩定，抽采效果起伏較大。而且開設鉆場施工成本較高，鉆孔現場施工難度較大。為此，小常煤業為了進一步提高瓦斯抽采效果，降低生產成本，通過多次調研考察，決定采用定向走向長距離鉆孔瓦斯抽采工藝，以代替頂板高位巖石鉆場的長距離鉆孔，在 30212 工作面回風順槽采煤幫開設煤巷鉆場，利用定向鉆機鉆孔軌跡可導向、可控制的特點施工頂板定向走向長鉆孔。通過一年多在 30212 綜采工作面的不斷試驗，抽采效果良好，有效地降低了工作面上隅角及回風流的瓦斯濃度，達到了預期的目的，保證了工作面安全生產。

1 工作面概況

30212 回采工作面位于井田3 號煤層302 采區，井下標高+486～ +586 m，開采深度 336～436 m。30212 工作面設計長度277.5 m，工作面有效推進長度為577 m。工作面北側為已回采完畢的30211 回采工作面，該工作面于2014 年回采完畢，南側為實體煤，東側為三條采區上山。根據井上下對照圖，地面較為平坦。該礦3 號煤層厚度穩定，屬全區穩定可采煤層，厚度為 4.73～8.44 m，平均 6.82 m。井田中西部較薄，厚度變異系數14.42%，含 0～3 層夾矸，夾矸厚度 0.10～1.20 m，多為炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖，結構簡單～復雜。煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，局部（502 號孔）為粗粒砂巖，底板為砂質泥巖、泥巖。30212 工作面埋深最深處位于30212回風順槽末端，最大埋深為 430 m，30212 工作面最大原煤瓦斯含量為 6.98 m3/t。

2 理論分析

煤層開始回采后，煤層頂板的裂隙帶內會發育大量縫隙，這些縫隙是瓦斯流動運移的主要通道[1-2]。若將抽采瓦斯的鉆孔設在上述區間內，瓦斯抽采的效果將得到顯著的提高。當回采煤層與鄰近煤層距離較近時，隨著回采工作面的推進，頂、底板圍巖應力較大區域且巖性較好的巖層，受高應力作用在回采煤層的頂板上部裂隙帶產生裂隙，致使采空區與鄰近層形成了瓦斯運移的通道，煤巖層瓦斯通過裂隙通道涌入采空區，同時，由于煤壁落煤解吸瓦斯中的一部分也隨風流涌入采空區內，隨著瓦斯涌出量的增大將造成回風流瓦斯超限及上隅角瓦斯積聚，給礦井安全生產帶來極大的安全隱患[3]。以往傳統工藝采用普通鉆機施工高位鉆孔對裂隙帶瓦斯進行抽采，但該技術存在鉆孔利用率低（僅為40%～50%）、鉆探成本高等問題，且不能有效地治理上隅角瓦斯。與普通回轉鉆進工藝施工瓦斯抽采鉆孔相比，定向長鉆孔瓦斯抽采技術能夠實現大范圍區域瓦斯治理，具有鉆孔抽采率高、鉆孔抽采時間長、瓦斯治理投入低等優點。定向長鉆孔把裂隙帶發育的裂隙作為瓦斯抽采的通道，有效地對上鄰近層涌出的瓦斯進行抽采，阻止其涌入到采煤工作面及上隅角，同時利用抽采負壓將積聚在采空區內部的瓦斯抽入抽采管路中，有效地防止工作面及上隅角瓦斯超限[4]。

3 現場應用

3.1 設計依據

鉆孔終孔高度的確定主要依據煤層上部的三帶高度的分布，由于瓦斯相對較輕，所以主要集中在裂隙帶。在綜采工作面周期來壓時，裂隙帶內儲存的高濃度瓦斯會在短時間內從煤層上部釋放出來，使工作面和上隅角瓦斯超限甚至發生瓦斯事故。因此，結合生產實踐經驗在豎直方向將鉆孔層位選擇在垮落帶和裂隙帶交界面以上3～8 m 的位置。根據“三帶”理論和瓦斯擴散－滲流理論的研究成果，結合大量的現場瓦斯治理經驗，表明在裂隙帶內布置高位鉆孔是解決采空區及上隅角瓦斯問題的有效措施之一。

裂隙帶高度H 理論計算：

式中：h 為采高；a、b、c 為待定常數，需要依據煤礦設計規范確定，a、b、c 待定常數取值見表1。

表1 a、b、c 待定取值

30212工作面煤層厚度為7 m，頂板為中硬巖石，因此根據上式可計算出裂隙帶高度為41.7～52.9 m。

3.2 設計施工

在 30212 回風順槽采幫布置定向鉆場，鉆場間距 300～400 m 不等，定向鉆場尺寸：長度 8 m，深度 4.5 m，高度 4.5 m。鉆場設計10 個鉆孔，開孔間距0.7 m，目標孔間距 7 m。分兩排布置，第一排為 1#～5#孔，開孔高度為距頂板1.5 m，設計孔深400 m（走向長度），終孔高度為 37～45 m；第二排為 6#～10#孔，開孔高度為距頂板 2 m，設計孔深400 m 左右（走向長度），終孔高度為14～18 m。定向鉆孔施工的開孔孔徑為Ф98 mm，進行一次擴孔，終孔孔徑為Ф153 mm。定向鉆孔布置圖如圖1。

圖 1 定向鉆孔布置圖

3.3 抽采效果分析

由圖2 及圖3 可知，無論是抽采濃度還是抽采純量，定向頂板長鉆孔隨著工作面的推進，瓦斯抽采效果持續穩定，沒有太大波動。最大單孔抽采瓦斯濃度達55%，最大單孔抽采瓦斯純量達3.88 m3/min，鉆場瓦斯抽采純流量達到9.83 m3/min，有效防止了30212 工作面鄰近層及采空區瓦斯涌入采場。

圖 2 鉆孔抽采濃度曲線圖

圖 3 鉆孔抽采純量曲線圖

4 結論

定向鉆孔抽采濃度高、流量大，治理30212 綜采工作面采空區瓦斯的效果非常明顯，通過鉆孔施工數據及抽采數據分析可得出以下結論：

（1）小常煤業3 號煤層裂隙帶最佳抽采高度在35～40 m 之間，鉆孔軌跡可調整、可控制，可及時調整鉆孔抽采高度，保證鉆孔始終處于最佳抽采位置；

（2）定向裂隙帶抽采鉆孔，瓦斯抽采濃度高、純量大，鉆場平均抽采純量是普通鄰近層瓦斯抽采鉆孔的3～4 倍；

（3）定向鉆孔抽采周期長，瓦斯抽采濃度、純量平穩，可對采空區及鄰近層瓦斯進行有效抽采控制。

通過試驗考察，定向走向長鉆孔也存在一定問題，由于煤層頂板巖性較硬，定向鉆孔施工鉆孔速度較慢；定向鉆孔施工的開孔孔徑為Ф98 mm，可進行一次擴孔，終孔孔徑為Ф153 mm，但擴孔進度較慢，施工效率不高；定向鉆孔終孔孔徑為Ф153 mm，相對于頂板高位鉆孔Ф193 mm 的鉆孔孔徑較小，對瓦斯抽采效率存在一定影響。