頂板定向長(zhǎng)鉆孔卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究

白向挺，鄒永洺

(1.山西小回溝煤業(yè)有限公司， 山西 清徐 030400；2.中煤科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

隨著煤礦采掘深度的逐漸增加，瓦斯含量和瓦斯壓力越來越大，瓦斯影響安全生產(chǎn)的現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。如何有效抽采上隅角及回風(fēng)流瓦斯成為瓦斯防治的重點(diǎn)。現(xiàn)常用的臨近層瓦斯治理方法為回采前在回風(fēng)巷施工高位鉆孔預(yù)抽臨近層涌出的卸壓瓦斯[1]，普通高位鉆孔工程量大，鉆機(jī)施工期間轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁，同時(shí)工作面回采期間超前支架會(huì)破壞普通高位鉆孔抽采管路，減小普通高位鉆孔作用范圍。

近年來，井下定向鉆進(jìn)技術(shù)逐步成熟，定向鉆孔軌跡可控，嚴(yán)格按目標(biāo)層位延伸，可提高單孔覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超前瓦斯管理，提高瓦斯抽采效率，減少安全隱患[2-4]. 定向鉆孔的布置高度和間距等鉆孔參數(shù)對(duì)定向高位鉆孔瓦斯抽采效果具有重要影響，現(xiàn)有研究多通過經(jīng)驗(yàn)分析或理論計(jì)算確定定向鉆孔施工參數(shù)。小回溝礦為高瓦斯礦井，現(xiàn)采用普通高位鉆孔進(jìn)行卸壓區(qū)域瓦斯抽采，為有效抽采2202工作面回采期間卸壓瓦斯，提出利用定向長(zhǎng)鉆孔代替普通高位鉆孔進(jìn)行煤層卸壓區(qū)域瓦斯抽采。根據(jù)小回溝礦回采工作面上方巖層排布情況，通過相似材料模擬工作面回采后上方巖層動(dòng)態(tài)變化情況，確定定向鉆孔施工參數(shù)，并分析抽采效果。

1 定向長(zhǎng)鉆孔代替普通高位鉆孔卸壓瓦斯抽采原理

1.1 定向長(zhǎng)鉆孔抽采卸壓瓦斯分析

定向高位鉆孔與普通高位鉆孔抽采原理相同，相比之下普通高位卸壓瓦斯抽采存在以下缺點(diǎn)：鉆孔向前控制范圍較小，存在空白區(qū)域，鉆孔無效進(jìn)尺增多，導(dǎo)致瓦斯抽采效果較差;在回采過程中，施工地點(diǎn)較多，后期維護(hù)量較大。

定向長(zhǎng)鉆孔具有以下優(yōu)勢(shì)：定向鉆進(jìn)可以保證鉆孔在規(guī)定的巖層中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，提高有效鉆進(jìn)長(zhǎng)度，避免盲區(qū)的發(fā)生；可施工距離較長(zhǎng)的鉆孔，鉆孔抽采段內(nèi)的有效距離增加；定向鉆孔施工量少、施工時(shí)間較短；鉆機(jī)功率強(qiáng)勁，具有較大的扭矩力和給進(jìn)起拔力，適應(yīng)多種強(qiáng)度的巖層，單孔進(jìn)尺最大可達(dá)千米，從而減少鉆場(chǎng)數(shù)量，抽采效果較好[5]. 不同鉆孔有效抽采區(qū)域?qū)Ρ纫妶D1.

圖1 不同鉆孔有效抽采區(qū)域?qū)Ρ葓D

1.2 頂板裂隙形成機(jī)理及“O”型圈理論

當(dāng)開采工作面中的煤層時(shí)，煤層上方巖層懸空距離達(dá)到一定程度后，頂板巖石發(fā)生垮落，工作面持續(xù)推進(jìn)，較硬的巖層或關(guān)鍵層頂板垮落，稱之為初次來壓[6]. 伴隨工作面的不斷推進(jìn)，每間隔一定周期關(guān)鍵層就會(huì)發(fā)生一次垮落，工作面會(huì)隨之形成周期性來壓。根據(jù)頂板巖層縫隙發(fā)育變形情況，煤層上方巖層從上至下分為彎曲下沉帶、裂隙帶、冒落帶。當(dāng)工作面后方采空區(qū)內(nèi)部面積達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，處于采空區(qū)中間位置的頂板縫隙趨于被壓實(shí)狀態(tài)，采空區(qū)周圍出現(xiàn)裂隙通道，其形態(tài)類似于頂板裂隙的“O-X”形，即“O”型圈，是煤層正常開采中相鄰煤層卸壓瓦斯涌入采空區(qū)的重要途徑[7],見圖2. 將鉆孔設(shè)計(jì)在瓦斯富集區(qū)，保證了鉆孔的長(zhǎng)時(shí)間抽采效果，同時(shí)有效地控制了工作面上隅角的瓦斯。

圖2 瓦斯流動(dòng)“O”形圈原理圖

2 定向長(zhǎng)鉆孔卸壓瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)

2.1 工作面概況

試驗(yàn)工作面選在小回溝礦二采區(qū)北側(cè)，開采煤層為2號(hào)煤層，平均厚度2.43 m，上覆03號(hào)煤平均厚度0.50 m，2號(hào)煤與上覆03號(hào)煤平均間距5.0 m，工作面走向長(zhǎng)度為1 440 m，傾向長(zhǎng)度240 m. 2202工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為14.95 m3/min，相對(duì)涌出量為6.5 m3/t，2202工作面上部為03號(hào)煤層，2號(hào)煤層回采后03號(hào)煤層會(huì)隨頂板跨落到回采工作面的采空區(qū)，導(dǎo)致工作面生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量增加。

2.2 上覆巖層“三帶高度”計(jì)算

2號(hào)煤頂板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖，局部為細(xì)～中粒砂巖，單向抗壓強(qiáng)度20～40 MPa，屬中硬巖石。根據(jù)冒落帶、裂隙帶理論計(jì)算公式，高度計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 冒落帶、裂隙帶高度計(jì)算結(jié)果表

2.3 相似材料模擬上覆巖層裂隙發(fā)育

為模擬2號(hào)煤開采過程中工作面上方巖層排布情況，結(jié)合試驗(yàn)工作面的條件，建立相似模擬試驗(yàn)架尺寸：長(zhǎng)2 850 mm ×寬300 mm ×高2 000 mm，設(shè)幾何相似比為100，密度相似比1.67. 同時(shí)，模型與實(shí)體對(duì)應(yīng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是相似的。

為了觀察工作面回采過程中巖層的變化規(guī)律，在模型中設(shè)置位移觀測(cè)點(diǎn)。模型共布置有297個(gè)100 mm×100 mm網(wǎng)格(11行27列)，共有336個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)。

伴隨回采工作面的模擬推進(jìn)，在采空區(qū)兩側(cè)展現(xiàn)出的垂向裂隙逐漸向上延展，在模型的中間位置，2號(hào)煤層頂板受到開采擾動(dòng)破壞較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了隨采隨冒的現(xiàn)象，當(dāng)回采工作面推進(jìn)107 m時(shí)，上覆巖層縫隙“三帶”特征圖見圖3. 通過圖3分析得知，0～24.5 m為冒落帶，24.5～36 m為裂隙帶，36 m以上為彎曲下沉帶。高度綜合分析見表2.

圖3 工作面推進(jìn)107 m上覆巖層縫隙“三帶”特征圖

表2 上覆巖層“三帶”高度綜合分析表

2.4 定向長(zhǎng)鉆孔布置關(guān)鍵參數(shù)

伴隨工作面的推進(jìn)，裂隙逐漸向上發(fā)育，采動(dòng)影響下形成的裂隙可以成為鄰近03號(hào)煤層及采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移通道,即裂隙帶高度24.5～36 m適合布置定向長(zhǎng)鉆孔。綜合考慮定向鉆孔代替普通高位鉆孔卸壓瓦斯抽采的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合“三帶”高度，將鉆孔層位布置在2號(hào)煤層頂板細(xì)砂巖中，距離煤層頂板25～36 m，即裂隙帶中鉆孔平距12 m，鉆孔沿工作面控制60 m范圍，孔徑120 mm，孔數(shù)為4個(gè)主孔及2個(gè)分支孔。定向鉆孔左右偏移距離參照巖層破壞“O”型圈理論和抽采經(jīng)驗(yàn)來確定，一般不大于工作面傾向長(zhǎng)度的1/3.

3 定向長(zhǎng)鉆孔工程實(shí)踐

3.1 定向長(zhǎng)鉆孔施工方案

在定向鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)4個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，其中3號(hào)定向鉆孔和4號(hào)定向鉆孔開具分支孔，見圖4，5.

圖4 定向長(zhǎng)鉆孔左右偏移竣工圖

圖5 定向長(zhǎng)鉆孔側(cè)面軌跡竣工圖

3.2 瓦斯抽采數(shù)據(jù)分析

為考察定向鉆孔抽采效果將數(shù)據(jù)匯總分析，見圖6，7,8，9.

圖6 1號(hào)鉆孔效果分析圖

圖7 2號(hào)鉆孔效果分析圖

圖8 3號(hào)及3分支鉆孔效果分析圖

圖9 4號(hào)及4分支鉆孔效果分析圖

通過對(duì)瓦斯抽采期間數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)終孔點(diǎn)在進(jìn)入采空區(qū)20.3～29.4 m，瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采混合流量出現(xiàn)大幅度增加，說明此時(shí)頂板產(chǎn)生大量裂隙，單孔瓦斯抽采濃度最大為90.2%，單孔平均瓦斯抽采濃度52.6%，單孔最大混合流量為9.86 m3/min，單孔平均混合流量4.49 m3/min，單孔最大純流量4.61 m3/min，平均純流量為2.31 m3/min.

3.3 定向長(zhǎng)鉆孔效果分析

在工作面生產(chǎn)期間，分別統(tǒng)計(jì)工作面中部、回風(fēng)隅角、生產(chǎn)期間回風(fēng)流內(nèi)瓦斯?jié)舛龋妶D10.

圖10 瓦斯?jié)舛茸兓闆r圖

由圖10可知，在2202工作面生產(chǎn)過程中，回風(fēng)流內(nèi)的最大瓦斯?jié)舛?.29%，平均瓦斯?jié)舛葹?.13%；隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.22%，平均瓦斯?jié)舛葹?.07%，工作面最大瓦斯?jié)舛葹?.29%，平均瓦斯?jié)舛葹?.12%. 通過分析工作面、回風(fēng)流內(nèi)部、隅角處的瓦斯?jié)舛瓤芍ㄏ蜚@孔抽采可以有效管控工作面回風(fēng)隅角處、回風(fēng)流內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>

4 結(jié) 語

1) 通過理論計(jì)算、相似材料模擬及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)得出，小回溝礦2號(hào)煤層上覆巖層0～25 m為冒落帶，25～36 m為裂隙帶，大于36 m為彎曲下沉帶，為鄰近工作面卸壓瓦斯抽采提供理論與實(shí)際支撐。

2) 利用定向長(zhǎng)鉆孔抽采回采期間卸壓瓦斯，單孔最大瓦斯抽采濃度90.2%，單孔最大混合流量9.86 m3/min，單孔最大純流量4.61 m3/min.

3) 通過定向長(zhǎng)鉆孔代替普通高位鉆孔卸壓瓦斯抽采，2202工作面生產(chǎn)期間，回風(fēng)流內(nèi)的最大瓦斯?jié)舛?.29%，回風(fēng)隅角處最大瓦斯?jié)舛?.22%，工作面最大瓦斯?jié)舛?.29%，定向長(zhǎng)鉆孔抽采可以實(shí)現(xiàn)有效抽采工作面回風(fēng)隅角處、回風(fēng)流內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋ＷC工作面安全回采。