高位定向長鉆孔抽采上隅角瓦斯技術實踐研究

徐立鵬，劉會泉，陳志勇

(1.陜西省渭南市白水縣煤炭局，陜西 渭南 714000；2.韓城市棗莊實業有限公司，陜西 韓城 715400；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

對于U 型通風方式的采煤工作面，上隅角極易形成瓦斯積聚區，嚴重威脅工作面安全生產，該問題一直是煤礦瓦斯治理的難題，也是當前工作面高產高效研究的熱點。采空區埋管瓦斯抽采方法簡單，但由于支架間漏風量大，抽采效果較差；傳統高位普通鉆孔有效抽采時間較短，布置鉆孔較多，工程量較大，經濟效能較低。近年來，煤礦井下定向長鉆孔瓦斯抽采技術取得長足進展，許多煤礦將定向長鉆孔抽采技術運用到上隅角瓦斯治理中，取得了顯著成效。許石青等人利用數值模擬和理論計算的方法優化高位鉆孔布置參數，實現遠距離定向抽采采空區瓦斯。張亞潮等人提出的“高位定向鉆孔與上隅角邁步式埋管抽采模式”，可以有效解決上隅角瓦斯超限問題，保障采煤工作面安全回采。桑北煤礦11308綜放工作面煤層厚約5m，回采過程中采空區頂板上覆巖層應力重新分布過程中形成大量裂隙通道，鄰近煤層直接向采空區釋放瓦斯，易引起上隅角瓦斯超限，瓦斯防治任務艱巨。因此，桑北煤礦將利用高位定向長鉆孔抽采技術治理上隅角瓦斯，確保11308 工作面順利回采。

1 試驗工作面概況

桑北煤礦系民營股份制企業，由陜西黃河礦業有限責任公司牽頭整合韓城礦區12 家私人煤礦企業的新建煤礦，為突出礦井，設計生產能力1.20Mt/a，主采3#煤層，2#煤層局部可采。

11308 工作面為礦井首采工作面，工作面位于礦井東南部，11 采區南翼，四鄰無采掘工作面，四周皆為實體煤，工作面采用走向長壁后退式采煤法，放頂煤開采，自然垮落法管理頂板。工作面走向長1625m，傾斜長189m，平均煤厚5m，原始瓦斯含量3.49~14.29m3/t。煤層含1層夾矸，夾矸厚度在100mm 左右，工作面煤層結構較簡單，煤質變化小，以貧煤為主，少許無煙煤，屬穩定型煤層。工作面兩順槽、回采區域分別采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯作為區域防突措施。回采期間擬采用高位定向長鉆孔抽采、采空區埋管抽采等措施治理上隅角瓦斯。

2 高位定向長鉆孔設計

2.1 鉆孔設計依據

工作面回采后，采空區巖層逐漸垮落，煤層頂板的裂隙帶會發育大量的縫隙，為瓦斯運移提供了通道。根據頂板巖層“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，將定向長鉆孔布置在裂隙帶及附近區域，將會顯著提高抽采效果。

2.1.1 綜放工作面垮落高度范圍計算

工作面回采后，隨著關鍵層和亞關鍵層的斷裂，上覆巖層冒落逐漸將采空區填滿，填滿后的巖石厚度即為冒落帶的高度，計算公式如下：

式中，H1 為垮落帶高度，m；M 為煤層采高，M=5.0m；K 為巖石碎脹系數，參照表1，K 取1.25(3#煤層直接頂巖性以泥巖為主，厚度0.93~15.98m，其次為粉砂巖及細砂巖，層狀結構面不甚發育。其中泥巖飽和抗壓強度5.64~59.42MPa，平均20.55MPa，α 為巖層傾角，α=5°。

表1 巖石碎脹系數表

由（1）式可計算出11308 工作面冒落帶高度為17.6~22.6m。

2.1.2 綜放工作面裂隙高度范圍計算

采空區冒落帶垮落后，上覆巖層受到節理裂隙的切割，在自重壓力作用下內部裂隙張開、貫通，造成整體結構破壞而形成裂縫帶，根據公式（2）可以計算出工作面裂縫帶高度H2。

由式（2）計算出11398 工作面裂隙帶高度范圍為21.5~52.5m；結合冒落帶理論高度，初步確定11308 工作面裂隙帶理論高度為22.6~52.5m。

2.2 鉆孔設計

高位定向鉆孔鉆場布設于11308 回風順槽距離切眼630m 處，鉆場內布置6個頂板走向長鉆孔，單孔深500m，鉆孔孔徑165mm；水平終孔間距8m，鉆孔終孔距11308 回風順槽水平距離10~50m，鉆孔終孔層位距3#煤頂板30m 左右，鉆孔工程量3035m。鉆孔設計如圖1 所示，鉆孔設計參數見表2。

圖1 定向高位鉆孔設計示意圖

表2 定向高位鉆孔設計參數表

3 高位定向長鉆孔施工及效果分析

3.1 鉆孔施工情況

鉆孔采用ZYL-15000D 型定向鉆機施工，鉆進過程中通過泥漿泵產生的高壓水驅動孔底馬達轉子回轉，再通過萬向軸和傳動軸帶動鉆頭回轉碎巖，同時，通過不斷調整孔底馬達彎頭朝向，進行鉆孔軌跡人為控制，實現定向鉆進，從而使鉆孔軌跡始終在3#煤層頂板裂隙帶內按既定軌跡延伸。實際鉆孔孔深519~570m，鉆孔工程量3325m，6個為定向長鉆孔，用時41 天。

3.2 抽采效果分析

11308 工作面回風順槽1#鉆場6個定向長鉆孔施工完成后，立即聯管接抽，采用在線監測和人工測量相結合的方法，統計各鉆孔抽采數據；工作面推采過程中，各高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度和純量隨時間變化曲線如圖2~7 所示。

圖2 1#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

圖3 2#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

圖4 3#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

圖5 4#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

圖6 5#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

圖7 6#定向鉆孔抽采數據變化曲線圖

從圖2~7 可知，6個鉆孔初期瓦斯抽采濃度較高，隨著工作面的推進，1#、2#鉆孔瓦斯抽采濃度衰減較快，在2個月時間內，衰減至2%；3#、4#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采濃度雖有一定衰減，但能穩定在5%以上或更高。對于瓦斯抽采純量，1#、2#鉆孔初期濃度較高，單孔純量高達0.92m3/min；3#、4#鉆孔初期瓦斯抽采純量較低，7~14d后，直線上升，并能長時間穩定在0.5~0.7m3/min 之間；5#、6#鉆孔雖然瓦斯濃度較高，但瓦斯抽采純量一直處于低位，在0.1~0.15m3/min 之間波動。

煤層開采后覆巖形成采動裂隙，卸壓瓦斯沿導氣裂隙帶向上運移聚集。在工作面傾向方向上，采空區中部的導氣裂隙帶高度發展稍微滯后于采空區兩側的導氣裂隙帶高度，煤層導氣裂隙帶為還未發育至5#、6#鉆孔控制范圍內，因而在初期不能有效抽采瓦斯。越靠近采空區回風隅角，裂隙越發育，導氣裂隙帶高度越高，在裂隙帶易形成瓦斯富集區，因而，該范圍1#、2#鉆孔純瓦斯流量值較高；之后伴隨著關鍵層的破斷，3#、4#鉆孔瓦斯流量值呈階梯式增長，并達到峰值；而5#、6#鉆孔抽采效果一直不佳。

經現場實測， 工作面煤墻及架間瓦斯濃度0.01%~0.08%，生產過程中回風隅角上部瓦斯濃度0.38~0.56%，回風流實測最大瓦斯濃度0.52%，滿足生產要求，實現了11308 工作面的安全生產。

根據11308 工作面頂板覆巖變形破壞特征，結合抽采數據分析，確定鉆孔控制水平距離為巷道輪廓線35m范圍內施工高位抽采鉆孔抽放效果最佳；同時根據1#~6#鉆孔抽采數據及生產過程中上隅角瓦斯濃度分析，將定向長鉆孔布置在煤層頂板以上30 m范圍內能解決上隅角瓦斯問題，滿足生產要求。

4 結語

（1）根據上覆巖層“三帶”分布及經驗公式計算，初步確定11308 工作面裂隙帶理論高度為22.6~52.5m，為鉆孔布置提供了理論依據。

（2）通過對6個高位定向長鉆孔試驗抽采效果分析，越靠近采空區回風隅角，裂隙越發育，在裂隙帶易形成瓦斯富集區，因此確定鉆孔控制水平距離為巷道輪廓線35m 范圍內、布置層位為煤層頂板上方30 m左右范圍，施工高位抽采鉆孔抽放效果最佳。