高位定向長鉆孔與走向鉆孔聯合抽采瓦斯技術

史 建 閆 波 劉亮亮

（晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 長治 046600）

1 工程概況

1.1 地質情況

趙莊二號井2312 回采工作面開采3 號煤層，煤層含1～2 層夾矸，細～中條帶狀結構，層狀構造，屬半亮～光亮型煤。煤層厚度平均4.5 m，煤層傾角平均1°?；卷敒橹辛Ｉ皫r，厚度為14.2 m；直接頂為粉砂巖，厚度為6 m；偽頂為砂質泥巖，厚度為0.78 m。2312 工作面傾斜長160 m，走向長600 m，采用綜放開采，機采高度為2.4 m，放頂煤高度為2.1 m，采用一進一回“U”型通風方式。根據2020 年礦井瓦斯測定數據，礦井絕對瓦斯涌出量為14.43 m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為7.05 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.77 m3/min，趙莊二號井瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井。2312 工作面位于井田西翼盤區，所采區域瓦斯含量為4.86～5.44 m3/t，相鄰2314 工作面回采時絕對瓦斯涌出量為4.21 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.18 m3/t，預計該工作面瓦斯回采時絕對瓦斯涌出量在4.3～6.8 m3/min。根據三維地震資料顯示，工作面內斷層、陷落柱較多，瓦斯含量可能發生變化。

1.2 瓦斯抽采情況

趙莊二號井回采工作面采用綜采放頂煤開采，由于端頭不放頂煤，造成采空區遺煤較多，釋放大量瓦斯。以往回采工作面采用頂板高位走向鉆孔和上隅角插管抽采技術，但是由于高位走向鉆孔層位無法控制，有效抽采距離短，存在抽采盲區，特別是在瓦斯含量較高的區域，抽采效果極不理想。2312 工作面回采區域屬于礦井瓦斯含量較高的區域，為確保工作面安全開采，試驗高位定向長鉆孔聯合走向鉆孔的采空區瓦斯抽采方案，在減少普通鉆孔施工量的基礎上，提高鉆孔施工質量和利用率，從而提高采空區瓦斯抽采量，減少回采工作面上隅角瓦斯涌出。

2 采空區瓦斯聯合抽采技術

2.1 鉆孔布置原則

回采工作面開采過后，直接頂巖層冒落，其上部分巖層發生破斷，之上巖層則出現彎曲下沉，在破斷巖層內部會形成水平方向的離層裂隙和垂直方向的破斷穿層裂隙。自工作面切眼起，隨著工作面推采，整個工作面頂板離層裂隙不斷增大，采空區中部離層裂隙最為發育。工作面繼續推采，采空區中部巖層逐步壓實，四周巖層受周邊煤柱或實體煤的支撐作用，其裂隙仍然存在，該區域巖層內水平裂隙通過穿層裂隙導通，采空區瓦斯會通過穿層裂隙向上部水平裂隙聚集。因此，在該區域布置水平定向長鉆孔和走向鉆孔，可實現對采空區瓦斯的高效抽采。

根據理論計算公式，回采工作面頂板裂隙帶位于工作面上部5～8 倍采高，結合趙莊二號井西翼盤區上三帶觀測數據，頂板高位抽采鉆孔的布置層位位于煤層頂板20～30 m 較為合理。根據以往工作面礦壓數據分析，頂板高位抽采鉆孔距回風巷的水平距離為20～50 m 較為合理。

2.2 聯合抽采鉆孔布置參數

（1）高位定向長鉆孔布置參數

高位定向長鉆孔[5-6]需覆蓋整個工作面回采范圍內上隅角端頭頂板，結合工作面布置情況，在2312 軌道回風順槽與2312 回風聯絡巷交叉口30 m處施工1 個抽放硐室，鉆場布置迎向工作面推進方向的頂板施工5 個扇形鉆孔，從里往外依次施工，鉆孔終孔位置位于采空區上方裂隙帶內。

5 個鉆孔分為兩排，其中第一排為1、4、5 號鉆孔，開孔高度距底板2 m，鉆孔開孔間距為0.5 m和1 m；第二排為1、2 號鉆孔，開孔高度距離底板1.5 m，開孔間距為1.5 m。1～5#鉆孔開孔與終孔位置的高差分別為23 m、20 m、23 m、32 m、35 m，鉆孔長度均為564 m，鉆孔直徑均為96 mm。高位定向長鉆孔布置如圖1，鉆孔參數見表1。

圖1 高位定向長鉆孔布置示意圖

表1 高位定向長鉆孔參數表

（2）走向鉆孔布置參數

在2312 軌道回風順槽施工6 個抽放硐室，硐室間距為85 m，第一個抽放硐室距切眼55 m。鉆場布置迎向工作面推進方向的頂板施工8 個扇形鉆孔，從里往外依次施工，鉆孔終孔位置位于采空區上方裂隙帶內。在每個抽放硐室內布置8 個鉆孔，分為三排，其中第一排為1、2、3 號鉆孔，開孔高度距底板1.5 m，鉆孔開孔間距為1 m，鉆孔開孔與終孔位置的高差分別為20 m，鉆孔深度為115 m；第二排為4、5、6 號鉆孔，開孔高度距底板2 m，鉆孔開孔間距為1 m，鉆孔開孔與終孔位置的高差分別為25 m，鉆孔深度為120 m；第三排為7、8號鉆孔，開孔高度位于煤層頂板處，距底板3 m，鉆孔開孔間距為0.5 m，鉆孔開孔與終孔位置的高差分別為30 m，鉆孔深度為90 m；鉆孔直徑均為94 mm；水平方向鉆孔距回風距離控制在35 m 以內。走向鉆孔布置圖如圖2，鉆孔參數見表2。

圖2 走向鉆孔布置示意圖

表2 走向鉆孔參數表

2.3 抽采鉆孔施工

（1）打鉆施工

頂板高位定向長鉆孔采用ZYL-6000D 液壓履帶式鉆機進行施工，配套Ф96 mm 鉆頭，5 個鉆孔共計2820 m，工期30 d。頂板高位走向鉆孔采用ZDY4200LPS 型液壓履帶式鉆機進行施工，配套Ф94 mm 鉆頭，共計5310 m，工期30 d。

（2）鉆孔封孔

抽放鉆孔采用兩堵一注封孔方式。頂板高位定向長鉆孔采用充填式帶壓封孔技術，封孔材料為膨脹水泥，孔口段采用Ф240 mm 鉆頭擴孔9 m，封孔長度8.5 m，封孔管為Ф180 mm PE 管。頂板走向鉆孔采用囊袋式帶壓封孔技術，封孔材料為普通硅酸鹽水泥，孔口段采用Ф113 mm 鉆頭擴孔9 m，封孔長度8 m，封孔管為Ф90 mm PVC 管。

3 抽采效果分析

（1）抽放純量

現場試驗統計得到：5 個頂板高位定向長鉆孔的平均抽放純瓦斯量為0.253 m3/min，頂板走向鉆孔的平均抽放純瓦斯量為0.158 m3/min。對比以往工作面瓦斯抽采情況可知，頂板走向鉆孔的平均抽放純瓦斯量基本一致，頂板高位定向長鉆孔的平均純瓦斯抽采較頂板走向鉆孔提高約65%。

（2）采面隅角瓦斯濃度

在2312 工作面回采期間，對工作面上隅角瓦斯含量進行持續監測，工作面隅角瓦斯濃度整體平穩，瓦斯濃度平均0.28%。當工作面過斷層區域時上隅角瓦斯濃度較高，達到0.42%，未超過0.5%。

4 結論

頂板定向長鉆孔水平布置在工作面上隅角頂板裂隙帶，隨著工作面回采，可以實現對采空區瓦斯的持續穩定抽采；同時布置頂板走向鉆孔，可對回采工作面上隅角不同高度頂板內的瓦斯進行抽采，從而實現工作面采空區二位一體抽采，有效降低采空區瓦斯含量，控制回采工作面上隅角瓦斯濃度處于較低水平，以實現工作面安全開采。