高位定向長鉆孔治理采空區瓦斯技術實踐

劉成武

(陜西煤業化工集團孫家岔龍華礦業有限公司，陜西 榆林 719314)

0 引言

近年來，隨著煤礦開采深度、開采效率和開采強度的加大，礦井瓦斯涌出量也隨之增大，本煤層和鄰近層的瓦斯涌出量常常導致工作面瓦斯超限[1 -3]，針對工作面瓦斯超限問題，一般采用順層抽采、埋管抽采、斜交抽采等，但是都存在著施工費用高、井下運輸壓力大、工期長等弊端[4 -6]。而采用高位定向長鉆孔瓦斯抽采技術能有效縮短工期、降低費用、減輕井下運輸壓力，該項技術也已在山西、河南、貴州等諸多礦井推廣應用[7 -9]。劉成軍[10]對興峪煤礦15508工作面采用高位定向長鉆孔抽采技術，使得回風巷的瓦斯含量下降了0.258 m3/t。徐立鵬等[11]針對桑北煤礦11308工作面上隅角瓦斯超限問題，通過分析頂板巖層裂隙范圍，合理布置了6個高位定向鉆孔，有效降低了上隅角的瓦斯濃度。霍小泉等[12]提出高位定向長鉆孔代替高位抽采對下石節煤礦2305工作面進行瓦斯抽采，使得瓦斯抽采量上升了約0.07 m3/t。

陜煤集團某礦4101工作面是首采工作面，該工作面走向長3 041 m，傾向長240 m。目前4101工作面采取了本煤層抽采、高抽巷抽采、上隅角埋管抽采等多種措施，但抽采效果較差。因此，有必要對目前抽采措施的效果進行分析，優化設計高位定向長鉆孔抽采，并對4102工作面抽采措施進行探討，以期為該礦井下一步抽采方案奠定基礎。

1 4101工作面瓦斯賦存及涌出參數

該工作面為4號煤層，賦存穩定，厚度3.64～6.99 m，平均厚度4.5 m，工作面范圍內6個鉆孔除7-6煤層厚為6.99 m，其余平均為4 m。煤層埋深534.26～740.49 m。煤層結構簡單，含1～2層夾矸，賦存較為穩定，夾矸巖性均以泥巖為主。該4號煤層為黑色，半亮型，層狀構造，條帶狀結構，普氏硬度系數1.09左右。該煤屬低變質煙煤(不粘結31號煤)，為優質動力、氣化用煤和民用燃料。老頂以細粗粒砂巖為主，部分含有砂質泥巖、粉砂巖，具有小型交錯層理，局部變形層理，泥質孔隙式膠結，可見黃鐵礦結核。屬半堅硬類較穩定型。直接頂板以泥巖為主，次為粉砂巖和細砂巖，直接底以泥巖、細砂巖為主。

根據文家坡4101工作面瓦斯涌出特點，本項目擬采用瓦斯分源預測法計算工作面瓦斯涌出量。分源預測法可以概括為：采區相對瓦斯涌出量等于平均每采一噸煤各瓦斯源涌出分量之總和，因此首先應對每一種瓦斯源計算其涌出分量，然后求和。每一涌出分量qi可以按式(1)求出

(1)

式中，qi為采區平均每采一噸煤第i瓦斯源所涌出的瓦斯分量，m3/t；mi為瓦斯源所在煤層厚度，m；m1為開采厚度，m；x0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；x1為煤的殘存瓦斯含量，m3/t；C1為瓦斯涌出系數，常數。

對于該煤礦4101工作面而言，工作面瓦斯涌出量主要包含煤壁瓦斯涌出量、采空區瓦斯涌出量和落煤瓦斯涌出量。由此可得煤壁瓦斯涌出量

(2)

采空區瓦斯涌出來源主要有受采動影響的卸壓鄰近層和開采層本身丟煤所涌出的瓦斯，即

Qh=QJ+Qk

(3)

式中，QJ為鄰近層瓦斯涌出量，m3/min；Qk為采空區丟煤瓦斯涌出量，m3/min。

(4)

Qk=ηm(1-ηr)(kX-Xc)+Q1

(5)

式中，A為回采工作面日產量，t；m為煤層開采厚度，m；mi為第i鄰近層厚度，m；Xi為第i鄰近層的原始瓦斯含量，m3/t；Ki為第i鄰近層受采動影響的瓦斯排采率，%；ηm為煤層總回收率，%;ηr為采煤回收率，%；k為煤層開采瓦斯涌出系數，常數；X為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Xc為煤的殘存瓦斯含量，m3/t；Q1為開采煤層(包括圍巖)相對瓦斯涌出量，m3/t。

根據4號煤層鄰近層資料可知，QJ=7.4 m3/min，Qk=0.84 m3/min，由此可得采空區瓦斯涌出量Qh=8.24 m3/min。

2 4101工作面高位定向長鉆孔抽采優化設計

2.1 鉆孔布置的確定

高位鉆孔是布置在工作面頂板上方裂隙帶中用于抽采工作面瓦斯的鉆孔，其技術關鍵在于確定鉆孔布置參數，確切地說就是確定瓦斯抽采的最優匯集區域，必須具備以下幾個特征：① 匯集區域所在巖層的層位必須在長時間內穩定存在，保證具有相當長的瓦斯抽采時間；② 具有穩定的高瓦斯濃度，成為采場范圍內的一個“瓦斯庫”，能保證較高的瓦斯抽采率；③ 在采動影響下會產生一定的裂隙通道，能使臨近層等較大范圍處的瓦斯可以源源不斷地進入；④ 產生的裂隙通道不能過度暢通，以防大量空氣進入，降低抽采濃度和抽采效率。

2.2 冒落帶的確定

冒落帶高度h冒主要取決于采厚和上覆巖石的碎脹性，通常為采厚的3～5倍。根據4101工作面的覆巖巖性特征，4101工作面巖性以泥巖和砂巖為主，巖石強度一般，按照中硬巖層處理，則可使用式(6)計算

(6)

式中，M為采高，m。4101工作面采高平均為3.5 m，工藝為綜采工藝。根據公式可得冒落帶高度h冒為7.67～12.1 m。

2.3 裂隙帶高度的確定

巖層破斷后，巖塊仍然排列整齊的區域即為裂隙帶。冒落帶與裂隙帶合稱為“兩帶”。根據4101工作面中硬巖性，裂隙帶高度可按照式(7)分析

(7)

4101工作面采高平均為3.5 m，按照公式可得裂隙帶高度為30.8～42 m。

從以上計算可以看出，4101工作面冒落帶7.67～12.1 m，裂隙帶高度為30.8～42 m。同時為了保證高位鉆孔的抽采效果，應將其終孔位置布置在冒落帶上部、裂隙帶的中下部，即：將終孔布置在距煤層頂板12～22 m為宜。因此，4101工作面高位鉆孔施工時，應在回風巷沿煤壁開鉆，施工一組鉆孔，鉆孔與巷道軸線水平方向的夾角分別為22°、25°、29°、32°和34.5°，與巷道軸線垂直方向的夾角分別為9°、11°、13°、14°和16°，施工鉆孔總長分別為76 m、79 m、82 m、85 m和88 m。每隔40 m施工一組。

3 4101工作面采空區瓦斯治理效果觀測

3.1 高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果

在該礦第3、4聯絡巷之間實施頂板定向長鉆孔。共施工L2、H2、M3這3個頂板定向長鉆孔，抽采效果如圖1所示。

圖1 4101工作面頂板走向高位定向長鉆孔剖面軌跡布置Fig.1 Track layout of high level directional long drilling hole profile in roof strike of 4101 working face

從圖1中可以看出，H2鉆孔終孔距煤層頂板約29.5 m，其長度為192 m。M3鉆孔層位在21～26.5 m，其長度為486 m。L2鉆孔層位在13.5 m，長度為525 m。對正常回采期間長鉆孔瓦斯濃度進行測試，結果如圖2所示。從圖2中看出，L2孔的瓦斯濃度較M3孔瓦斯抽采濃度大。由此，根據高位鉆孔抽采機理，應將高位鉆孔終孔位置設置在采空區上覆巖層的冒落拱上方的裂隙帶中，即冒落帶的上部和裂隙帶的中下部，這樣才能保證卸壓瓦斯通過裂隙被高位鉆孔抽采，達到降低工作面瓦斯涌出的結果。

圖2 頂板定向長鉆孔抽采瓦斯濃度Fig.2 Gas concentration diagram of roof directional long drilling hole extraction

3.2 工作面上隅角瓦斯抽采情況

采用“U+L”型通風系統后，上隅角瓦斯濃度一直較小，不超過0.3%。頂板定向長鉆孔抽采瓦斯濃度如圖3所示。

從圖3中可以看出，高抽巷停抽后，4101工作面上隅角瓦斯濃度變化范圍為0.14%～0.52%，而回風巷瓦斯濃度一直在0.1%以下。說明在4101工作面正常回采期間，采用本煤層抽采、上隅角埋管抽放等措施作用下，工作面、上隅角等區域瓦斯濃度并無超出《煤礦安全規程》等規定。

圖3 頂板定向長鉆孔抽采瓦斯濃度Fig.3 Gas concentration diagram of roof directional long drilling hole extraction

3.3 工作面瓦斯抽采率達標評判

4101工作面瓦斯抽采率為75.42%，符合各個規定的要求。抽采后，滿足殘余瓦斯壓力Pc<0.74 MPa且瓦斯含量Wc≤3 m3/t的要求；在4101工作面本煤層鉆孔施工過程中也未發現噴孔、頂鉆等異常現象。

抽采后煤的殘余瓦斯壓力計算煤的殘余相對瓦斯壓力(表壓)按式(8)計算

(8)

式中，a，b為吸附常數；PCY為煤層殘余相對瓦斯壓力，MPa；Pa為標準大氣壓力，0.101 325 MPa；Ad為煤的灰分，%；Mad為煤的水分，%；π為煤的孔隙率，m3；γ為煤的容重(假密度)，t/m3。

根據各評價單元在抽采后煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的計算，抽采后，4101工作面煤層瓦斯平均含量為1.32 m3/t，煤層殘余瓦斯含量均小于3 m3/t；經計算，殘存相對瓦斯壓力小于0.74 MPa。

根據《抽采達標暫行規定》第29條：采掘工作面同時滿足風速不超過4 m/s、回風流中瓦斯濃度低于1%時，判定采掘工作面瓦斯抽采效果達標。4101工作面配風量為1 844 m3/min，工作面切眼巷道斷面面積為25.9 m2，風速為1.19 m/s，瓦斯濃度0.04%。由于4101工作面為首采工作面，礦井瓦斯抽采率即為4101工作面的瓦斯抽采率75.42%，符合表1所列的要求。

表1 瓦斯抽采率應達到的指標

綜上所述，評判符合《煤礦瓦斯抽采基本指標》和《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的要求，各項指標、條件均在要求值以下，所以判定該工作面瓦斯抽采達標。

4 結論

(1)制定了4101工作面瓦斯抽采總體方案并進行優化，分析得出了造成本煤層鉆孔瓦斯抽采濃度較低的原因，并據此優化了本煤層抽采半徑，結合4101工作面、4102工作面瓦斯賦存情況及衰減特征，將4102工作面本煤層瓦斯的抽采半徑調整為3 m，對于加強工作面瓦斯治理、降低瓦斯防治成本具有明顯的指導意義。

(2)進行了4102工作面瓦斯抽采設計，對4101工作面、4102工作面瓦斯基礎參數進行了大量的測試，進行了礦井瓦斯抽采的必要性和可行性分析，以此得到工作面瓦斯抽采方案，提出了采用本煤層預抽、高位鉆孔卸壓抽采和上隅角瓦斯抽采聯合抽采方案，并詳細進行了工作面瓦斯抽采管理計算及管材選擇分析，提出了鉆孔施工安全技術措施。

(3)進行了工作面煤層瓦斯預抽效果評判，分別對瓦斯抽采基礎條件達標、預抽煤層瓦斯效果進行評判，得出了經過瓦斯抽采綜合治理，4101工作面瓦斯抽采率為75.42%，評判符合《煤礦瓦斯抽采基本指標》和《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》的要求，各項指標均在要求值以下，各項條件均已達標，判定4101工作面瓦斯抽采達標。