綜放工作面隔巷大直徑高位裂隙鉆孔布置優化

曹新奇 ，李 凱，姚明柱

（1.西安科技大學，陜西 西安710000；2.陜西陜煤韓城礦業有限公司，陜西 韓城 715400）

1 試驗礦井概況

隨著我國煤礦開采強度提高，工作面采取了預抽瓦斯措施，但絕對瓦斯涌出量仍很大，高位裂隙鉆孔抽采是治理瓦斯涌出的重要技術措施之一[1-6]。

桑樹坪二號井3號煤層為煤與瓦斯突出煤層，區域防突措施主要為預抽煤層瓦斯，工作面回采初期由于瓦斯涌出量較大，回風流中瓦斯濃度在0.3%～0.7%之間，上隅角瓦斯濃度經常在0.7%～1.6%左右，時有瓦斯超限，嚴重影響工作面正常生產。

二號井采用上隅角壓管抽放以及在工作面回順施工高位裂隙鉆孔抽放治理上隅角瓦斯，能基本滿足工作面正常回采，但由于回順超前處需要拉底架設木垛進行支護，在高位裂隙鉆孔到達服務范圍時就進行了拆除，同時工人在超高處維護鉆孔，存在安全隱患。

針對此種情況，為解決回采期間上隅角瓦斯，決定將高位裂隙鉆孔在工作面二號回風巷(災害治理巷）施工，同時考察合理的層位，增大鉆孔孔徑至133 mm，增加鉆孔抽采流量，達到提高工作面回采期間瓦斯治理效果的目的。

2 高位裂隙鉆孔抽采效果影響因素分析

特厚煤層綜放工作面開采，由于煤層厚度大，放煤工藝特殊，采空區遺煤較多，工作面回采過程中瓦斯涌出量大，往往容易造成工作面上隅角瓦斯超限。實踐表明，高位鉆孔是有效治理工作面瓦斯涌出、解決工作面上隅角瓦斯超限的重要舉措。高位鉆孔一般是沿工作面走向或者傾向布置在煤層工作面及采空區上方裂隙帶內，通過煤巖垮落形成的裂隙通道，利用瓦斯運移規律，在抽采負壓作用下，抽采采空區瓦斯。研究發現，瓦斯流動與煤巖裂隙發育有著密切聯系，尤其是不同煤層厚度、不同放煤工藝條件下高位鉆孔的層位布置，將嚴重影響瓦斯抽采效果。

煤層開采后，采空區上覆巖層應力得到釋放，在應力釋放和集中的過程中，巖層發生移動并遭到破壞。根據“砌體梁”理論，按巖體破斷程度的不同，把采場上覆巖層沿豎直方向上分為“豎三帶”（冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶）；沿水平方向劃分為“橫三區”（煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區）[7-10]。

高位鉆孔就是通過從回風巷向頂板巖層施工大傾角鉆孔，鉆孔的終孔位置布置于采空區豎向三帶和橫向三帶的交叉區，即離層區與裂隙帶下部的重合區，也是瓦斯富集區，進行高位鉆孔瓦斯抽放不但有效隔斷了鄰近層瓦斯涌入通道，對控制本煤層采空區瓦斯積聚效果也顯著。

采空區上部的瓦斯富集區層位隨著工作面的推進，會產生一定變化，高位鉆孔內的瓦斯流量和抽放效果也有一個穩定上升和衰減的過程，這是由于采空區范圍的不斷變化，采空區三帶位置也在不斷發生改變。確定工作面回采過程中的合理“三帶”位置是提高高位裂隙抽采濃度的關鍵。

3 高位裂隙鉆孔優化布置考察

3.1 礦井3號煤層工作面“三帶”考察

采用井下仰斜鉆孔“導高”觀測方法確定工作面“三帶”，在工作面周邊，向采空區上方的覆巖導水裂縫帶內打仰斜鉆孔，采用雙端堵水器觀測“導高”，如圖1所示。

以二號井3303工作面為試驗區域，該區域平均采厚5.7 m，采場覆巖為中硬地層，為了得到預定導高層位，設計向采空區側與水平面方向呈35°、45°、45°、49°、45°、55°分別布設1、2、3、4、5、6號導高上限及下限觀測孔，向實體煤側與水平方向呈30°、45°、61°分別布設7、8、9號對比觀測孔（見圖2）。

圖2 導高觀測鉆孔布置平面圖

通過對數據分析，得出3號煤層開采后，測定煤冒落帶上限高度H1為21～25 m，最低處為21 m左右，最高處位于邊緣區域25 m左右，呈“馬鞍型”。裂隙帶上限高度H2為65～70 m，呈“馬鞍型”中心底邊緣高。

3.2 高位裂隙考察鉆孔的設計

針對二號井當前高位裂隙鉆孔抽采采空區瓦斯存在的弊端，結合礦井實際條件進行改進和調整。

首先，為了提高高位裂隙鉆孔利用率，增加高位鉆孔有效抽采流量，必須增加鉆孔孔徑，為此將孔徑由94 mm增加至133 mm，抽采P V C管由此前的50 mm增加至110 mm。桑樹坪二號井此前回順施工高位裂隙抽放鉆孔治理上隅角瓦斯，由于回順超前處需要拉底架設木垛進行支護，在高位裂隙鉆孔到達服務范圍時就進行了拆除，同時工人在超高處維護鉆孔，帶來不小的安全隱患，為此根據礦井巷道布置模式，考慮從相鄰工作面順槽施工高位裂隙鉆孔，一般相鄰工作面順槽和本工作面回風順槽中對中間距15 m。

本次現場考察地點位于3307工作面，針對3307工作面回采期間瓦斯涌出情況，參考二號井3號煤層開采后的“三帶”考察結果，設計3307工作面二回施工大直徑高位裂隙鉆孔施工方案。

1）高位裂隙鉆孔布置。根據前期3303工作面高位裂隙鉆孔考察結果及3307工作面頂板巖層結構、巖層厚度、巖性及采高，確定試驗工作面高位裂隙鉆孔參數。

鉆孔開口位置位于3307二回巷道頂板；每3個鉆孔為1組，每組鉆孔間距15 m，相鄰2組高位鉆孔壓茬15 m，孔徑為133 mm；封孔采用110 mm的P V C管，水泥注漿工藝進行封孔，封孔深度不得小于15 m。工作面累計施工高位裂隙鉆孔數量120個，總進尺：7 080 m。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 3307工作面高位裂隙鉆孔布置平面示意圖

鉆孔設計參數見表1。

表1 3307工作面高位裂隙鉆孔設計參數

高位裂隙鉆孔封孔如圖4所示。

圖4 3307工作面高位裂隙鉆孔封堵示意圖

2）高位裂隙鉆孔施工參數。根據3307工作面頂板巖層的結構和巖層厚度，以及煤層厚度，確定鉆孔終孔點落在3號煤層頂板上方30～40 m范圍。每組3個鉆孔分別內錯工作面正幫10、15、20 m，鉆孔偏向工作面切眼方向，控制推采方向30 m范圍。

4 大直徑高位裂隙鉆孔抽采效果分析

3307回采工作面前420 m采用回風順槽普通高位裂隙鉆孔抽采采空區瓦斯，工作面回采至420 m位置往后區域，從鄰近巷道施工大直徑高位裂隙鉆孔，采用110 mm P V C抽采管路并入抽采系統，抽采負壓14～20 k P a，單孔抽采濃度達到30%～90%，以第10組鉆孔的抽采濃度變化情況為例，鉆孔抽采濃度變化曲線如圖5所示。

圖5 3307工作面高位裂隙鉆孔抽采濃度變化曲線

統計分析3307工作面回采期間（3—5月份）3個月上隅角瓦斯濃度，如圖6可見。4月中旬開始工作面回采至隔巷大直徑高位裂隙鉆孔抽采采空區范圍，工作面上隅角瓦斯呈下降趨勢，瓦斯濃度從此前的0.45%～0.65%下降至0.25%～0.45%，平均下降0.20%左右，期間未出現瓦斯超限現象。

圖6 3307工作面回采過程中上隅角瓦斯濃度變化曲線

采用在工作面相鄰巷道施工大直徑高位裂隙鉆孔進行抽采后，單孔濃度達到30%～90%，單孔抽采流量0.7～1.0 m3/min，高位裂隙抽采系統濃度達到30%～40%，系統平均抽采流量20 m3/min，高位鉆孔日瓦斯抽采量達到了8 640 m3，立井500 m3/min瓦斯抽采系統總濃度提高了0.8%～1.5%，每月瓦斯抽采量、利用量提高了20.5萬m3，實現了開采抽采瓦斯、煤與瓦斯共采的瓦斯治理綜合利用新模式。

將3307工作面隔巷大直徑高位鉆孔與3307一回施工小孔徑高位裂隙鉆孔進行效益分析對比分析。

在工作面前420 m范圍施工普通高位裂隙鉆孔，每組5個，孔徑94 mm，組間距10 m，共累計施工鉆孔42組，進尺10 166 m，鉆孔施工費用共計77.26萬元，工作面平均每推采1m，需要鉆孔施工費用0.18萬元；工作面后920 m范圍施工隔巷大直徑高位鉆孔，共計施工高位鉆孔數量120個，孔徑133 mm，總鉆孔進尺7 080 m，產生費用53.81萬元。工作面平均每推采1 m，需施工費用0.11萬元。綜上所述采煤工作面采用大直徑高位裂隙鉆孔比普通高位裂隙鉆孔，工作面每推采1 m可以減少鉆孔施工費用700元，且鉆孔施工及維護方面存在諸多優勢。

5 結論

綜放面隔巷大直徑高位裂隙鉆孔抽采技術，方便現場實施及后期鉆孔維護，現場試驗結果表明，高位裂隙鉆孔單孔濃度達到30%～90%，單孔抽采流量0.7～1.0 m3/min，3307工作面上隅角瓦斯呈下降趨勢，平均下降0.2%左右，杜絕上隅角瓦斯超限，保障礦井安全高效開采。

研究成果可在采用U型通風的煤礦中推廣，通過對高裂隙鉆孔的高效抽采，不僅給項目研究企業和成果應用煤礦企業產生極大的直接經濟效益及安全效益，項目研究成果全面推廣應用后，將創造更多的間接經濟效益。