高瓦斯礦井千米定向鉆孔瓦斯抽采技術

戴麗君

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山大武木瓜煤礦，山西 呂梁 033100）

0 引言

隨著開采深度的增加，伴隨著地應力升高，深部煤層中的瓦斯含量也不斷增大，因此需要探索更加高效、低成本的瓦斯治理方法。當前瓦斯治理主要采用通風和抽采兩種方式，均可以達到消除井下瓦斯安全隱患，提高瓦斯清潔能源利用率的目的，但是，巷道通風措施僅能對已開拓巷道內部的含瓦斯空氣進行流通置換，而瓦斯抽采技術則可以對當前煤層、鄰近層和采空區等處的瓦斯進行集中收集和輸送，因此應重點研究和發展先進瓦斯抽采技術[1-2]。

常用瓦斯抽采技術包括當前煤層順層鉆孔抽采、臨近層高低位鉆孔抽采、頂板大直徑鉆孔等，傳統的高位鉆孔受仰角等影響，鉆孔深入裂隙帶中的長度較短，對實際抽采效果產生不利影響。而頂板千米定向鉆孔技術，孔的定位導向性較好，在裂隙帶中的鉆孔長度也較大，因此瓦斯抽采效果更好[3]。本文將結合三元煤礦實際情況，對頂板千米定向鉆孔相關技術和工程實踐進行研究。

1 礦井地質及通風概括

1.1 地質概括

山西三元煤業股份有限公司所開采2305綜放工作面，主采山西組3號煤層。工作面傾向長140 m，走向長2 060 m，工作面東側為實體煤，西側為相鄰工作面保護煤柱及采空區。2305綜放工作面內布置1條運輸順槽及2條回風順槽。3號煤層厚度6.3～8.4 m，平均厚度7.2 m，煤種為貧瘦煤、貧煤，煤質硬度2°~3°，煤層結構簡單，可穩定開采。直接頂為厚度2.2～7.8 m的泥巖，基本頂為厚度3.2～10.2 m的中粒砂巖，距3號煤層頂部約25 m位置有厚度僅為0.5 m的不可采2號煤層。工作面底板厚度2.2～6.7 m，材質為砂巖、泥質砂巖或炭質泥巖，在距3號煤層底部約56 m位置分布著厚度3.1～4.9 m的9號煤層。

1.2 通風方式

礦井瓦斯涌出量測定表明，礦井絕對瓦斯涌出量為12.66 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.86 m3/t，屬于高瓦斯礦井，因此需注意井下瓦斯的綜合治理。3號煤層瓦斯含量10.6～13 m3/t，瓦斯壓力0.39～0.57 MPa，煤層透氣性系數1.641～3.157 m2MPa-2/d，自燃等級為III級，屬不易自燃煤層。礦井通風采用機械式抽出法，進風井為主、副立井，回風井為中央風機和南翼風井。經計算，礦井需風量為10 346 m3/min，實際供風量10 647 m3/min，回風量10 860 m3/min，主通風機負壓2 770 Pa，有效風量率93%。

2305綜放工作面采用U型通風方式，配風量2 400 m3/min；另外，工作面內布置高、低負壓抽出系統，通過回風順槽內直徑426 mm的螺焊管對本煤層和鄰近層進行高負壓抽采，通過直徑325 mm的螺焊管對采空區內瓦斯進行低負壓抽采。

2 采空區瓦斯治理常用方法

利用分源預測法，對三元煤礦3號煤層的瓦斯涌出量進行分析和預測，可知2305工作面的瓦斯來源主要包括本煤層瓦斯涌出（17.9 m3/min）和鄰近層瓦斯涌出（18.9 m3/min）2部分。工作面回采后，采空區內部分頂板垮落，頂板內裂隙進一步發育擴展，導致9號煤層瓦斯順裂隙通道大量涌入采空區，從而對工作面回采安全造成較大影響，因此對采空區進行瓦斯抽采是工作面瓦斯治理的重要手段。采空區瓦斯抽采有以下幾種方法：

1）采空區埋管抽采，是指通過在采空區內預埋抽采管路，對采空區淺部區域內的瓦斯進行抽采，該方法施工量小，但抽采范圍有局限。

2）頂板走向高抽巷瓦斯抽采，是指在回風順槽一側的上部頂板裂隙區域內，水平掘進一條瓦斯抽采巷道，由于巷道斷面大，因此上鄰近層內瓦斯可充分泄壓，抽采效果較好，但成本較高；

3）頂板走向穿層鉆孔，是指在回風順槽內向頂板裂隙區內施工斜巷，然后開挖鉆場，再向采空區上部頂板裂隙區內鉆孔，該方法抽采效果較好，但鉆孔較多，持續性較差。

4）頂板千米定向鉆孔，是指在回風順槽內施工鉆場，然后利用千米定向鉆孔技術，向頂板裂隙帶內鉆孔，該方法兼具頂板走向高抽巷抽采和頂板走向穿層鉆孔抽采的優點，具有抽采效率高、施工量小，在煤層回采后仍可持續對采空區進行瓦斯抽采等優點[4]。

3 頂板千米定向鉆孔關鍵參數計算

3.1 采空區巖層變化與瓦斯積聚規律

隨著回采工作面推進，采空區懸頂面積不斷增大，在上覆巖體重力作用下，巖層結構發生彎曲、變形、垮落等變化，相關研究將其總結為“橫三區，豎三帶”，如圖1所示，沿水平逆回采方向，上覆巖層變化分為煤體支護影響區、離層區和重新壓實區，沿垂直方向自下而上，分為頂板冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

圖1 采空區上覆巖體結構變化區域劃分

另外，上覆巖層的結構變化可分為2個階段，第一階段，采空區懸頂面積不斷增大，由于懸頂四邊有煤體固定支撐，因此變形較小，而懸頂中部在巖層自重作用下發生較大程度彎曲，由于不同巖層抗彎程度差異，因此中部巖層間逐漸發生離層。此時，頂板離層率呈現“中部高，四周低”的分布趨勢；第二階段，隨回采推進，懸頂中部離層率進一步增大，最終發生垮落，由于垮落部分可起到支撐作用，因此中部區域的離層裂隙被逐漸壓實，但采空區邊部四周的離層裂隙仍在發展，此時，頂板離層率呈現“四周高，中部低”規律。如圖2所示，在第二階段中，采空區四周的離層裂隙帶相互連通，形成裂隙“O”型圈。實踐表明，在采動影響下，周邊煤巖體中的瓦斯不斷滲透和擴散至上述裂隙“O”型圈區域，并在其中匯聚、儲存和流動，“O”型圈近工作面區域的瓦斯將對回采工作面的瓦斯濃度產生較大影響[5-6]；因此，為保證頂板千米定向鉆孔的瓦斯抽采效率和抽采范圍，需將鉆孔布置于“O”型圈層中，以下將對鉆孔的垂直和水平位置進行計算[7-9]。

3.2 鉆孔布置層位計算

對于鉆孔的垂直方向層位，為保證瓦斯抽采效果，應盡量位于裂隙帶內，即大于冒落帶最大高度，小于裂隙帶最大高度。目前，對于“豎三帶”高度的計算，仍無成熟的理論公式，需結合經驗公式進行計算。地質勘測表明，2305工作面直接頂為泥巖、粉砂巖，屬中硬巖層，因此其冒落帶高度計算如下：

式中：ΣM為累計采厚，h。

2305工作面基本頂為中粒砂巖，也屬中硬巖層，因此其裂隙帶高度計算公式如下：

2305工作面ΣM取為7.45 m，分別代入式（1）、（2）可得，Hm=11.59~15.99 m，Hli=42.4～53.6 m，綜上可知，千米定向鉆孔層位高度應在16～53 m之間。

3.3 鉆孔水平終孔位置計算

為保證終孔位置較高的瓦斯濃度，鉆孔水平終孔位置應盡量位于“O”型圈范圍內，具體表示為終孔點到回風順槽的投影水平距離，計算公式如下：

式中：H為抽放孔的垂直層位高度，h；B為鉆孔與“O”型圈外邊界的距離，一般取B=0~34m；θ為裂隙帶邊界斜面與煤層的夾角，°；α為煤層傾角，°。

對于2305工作面，取H=25 m、B=0～34 m、θ=65°、α=5°，代入式（3）計算可得S=0～48 m。

4 現場工藝方案

在對頂板千米定向鉆孔相關理論及參數計算方法研究基礎上，制定了2305工作面的頂板鉆孔抽采方案：在工作面回風順槽靠近回采面一側，依次開拓13、17、21號鉆場，每處鉆場施工5個定向孔，孔徑113 mm，主孔鉆孔長度1 000 m，投影長度600 m，每個孔鉆1處支孔，支孔投影長度400 m，各鉆場間定向鉆孔搭接長度為30 m。工作面定向鉆孔水平和垂直布置如圖2所示，垂直鉆孔高度為23～27m，位于裂隙帶內，與回風順槽的最大水平距離為40 m。

圖2 頂板千米定向鉆孔布置圖

5 瓦斯抽采效果分析

為考察千米定向鉆孔的瓦斯抽采效果，在工作面回采期間，對13號鉆場5處鉆孔的瓦斯抽采量進行了監測和分析，如圖3所示，可見在瓦斯抽采初期，由于裂隙帶內的裂隙通道尚未完全發育，因此瓦斯抽采濃度較小，但隨著工作面不斷回采推進，上覆巖層“O”型圈結構逐漸形成，采空區內瓦斯通道建立，因此監測到的瓦斯濃度逐漸上升，并最終在一定范圍內穩定波動，平均抽采純量約為25 m3/min，整體抽采效果良好。另外，瓦斯持續抽采1個月后，工作面回風側及上隅角瓦斯濃度明顯降低，濃度由0.85降低至0.48，基本消除了采空區瓦斯對上隅角影響導致的濃度超限和停機問題，提高了生產安全性。

圖3 定向鉆孔瓦斯抽采純量變化

6 結論

1）三元煤礦2305工作面的瓦斯來源主要包括本煤層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出，為防止鄰近層瓦斯對工作面瓦斯濃度的影響，應對采空區瓦斯進行抽采治理。對比發現，頂板千米定向鉆孔技術兼具抽采效率高、施工量小、維持時間長等優點，適宜采用。

2）為保證頂板千米定向鉆孔的瓦斯抽采效率和抽采范圍，需將鉆孔布置于采空區上覆巖層變化形成的“O”型圈層中，計算可知，2305工作面千米定向鉆孔垂直層位高度應在16～53 m之間，水平位置應在距回風順槽投影距離0～48 m之間。

3）現場千米定向鉆孔瓦斯抽采監測表明，抽采初期，瓦斯濃度較小，隨工作面回采推進，裂隙帶發育，抽采瓦斯濃度逐漸升高并趨于穩定，抽采效果良好，同時，解決了上隅角瓦斯濃度超限問題。