特厚煤層工作面定向長(zhǎng)鉆孔以孔代巷瓦斯抽采技術(shù)

楊樂(lè)樂(lè)

（陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

煤層開(kāi)采后采動(dòng)裂隙帶卸壓瓦斯抽采，對(duì)于防治工作面瓦斯超限具有重要作用[1]。為提高卸壓瓦斯抽采效果、保障煤礦安全生產(chǎn)，大佛寺礦積極探索適于該礦的瓦斯治理方法，形成了以“大直徑高位定向鉆孔”為主的采空區(qū)卸壓瓦斯抽采技術(shù)。通過(guò)近年的大量工程實(shí)踐，大佛寺礦實(shí)施的大直徑高位定向鉆孔代替高抽巷瓦斯抽采技術(shù)取得顯著成效，實(shí)現(xiàn)了取消高抽巷的目標(biāo)。

1 定向鉆孔治理卸壓瓦斯原理

煤層開(kāi)采后，瓦斯運(yùn)移及儲(chǔ)集依賴于采場(chǎng)覆巖裂隙發(fā)育演化規(guī)律及其形態(tài)[1]。錢鳴高院士等［2］基于關(guān)鍵層理論，提出煤層采動(dòng)后上覆巖層采動(dòng)裂隙呈兩階段發(fā)展規(guī)律并形成“O”形圈分布特征。林海飛等提出了煤層回采后冒落帶與裂隙帶內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育充分，是瓦斯流動(dòng)和富集的主要通道，當(dāng)瓦斯抽采鉆孔或巷道布置其中時(shí)，可獲得較好的瓦斯抽采效果[3]。

2 工程概況

大佛寺礦井田主采4#煤層，為高瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量最高達(dá)210 m3/min 以上。40204 工作面采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。工作面走向長(zhǎng)度1875 m，傾向220 m，平均煤厚11.6 m，屬穩(wěn)定厚、特厚煤層。老頂巖性主要為粗砂巖，厚度平均6.4 m，天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度平均值為50.72 MPa，原始瓦斯含量4.69～5.23 m3/t，采用容積法計(jì)算得出40204 工作面瓦斯儲(chǔ)量2 397.3 萬(wàn)m3。工作面采用運(yùn)順進(jìn)風(fēng)、回順回風(fēng)的“U”型通風(fēng)方式，切眼風(fēng)量1500 m3/min。

3 工作面瓦斯治理方案

40204 工作面回采期間采空區(qū)瓦斯治理方案：1）在工作面回風(fēng)巷每400～500 m 布置一個(gè)定向鉆場(chǎng)，在頂板砂巖層中沿走向向采空區(qū)施工10 個(gè)定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯；2）在工作面回風(fēng)巷頂板向上25～35 m、外錯(cuò)80 m 處布置一個(gè)巷道向采空區(qū)施工傾向卸壓鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，外錯(cuò)巷道末端與開(kāi)切眼頂板反井工藝貫通抽采采空區(qū)瓦斯。

工作面初采采用“外錯(cuò)巷道（以下簡(jiǎn)稱預(yù)抽巷）+高位定向鉆孔”抽采，預(yù)抽巷鉆孔遇泥巖塌孔，因此，正常回采采用“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管”抽采。

3.1 采場(chǎng)覆巖裂隙發(fā)育區(qū)范圍

大佛寺礦開(kāi)展相似模擬試驗(yàn)，沿傾向方向，上覆巖層形成一定范圍的充分卸壓裂隙區(qū)，一般回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀撸椴尚Ч茫虼斯ぷ髅娓呶欢ㄏ蜚@孔布置在回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)附近。如圖1，可將高位定向鉆孔布置于A、B、C 三個(gè)位置，A 大約位于裂隙區(qū)與壓實(shí)區(qū)邊界，B 位于裂隙區(qū)邊界1/3處，C 位于裂隙區(qū)邊界處。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2可知，A 位置與C 位置當(dāng)頂板垮落后，高濃度瓦斯較難進(jìn)入高位定向鉆孔中。因此，高位定向鉆孔與回風(fēng)巷的合理平距應(yīng)布置于B 位置。

圖1 高位定向鉆孔不同平距布置

圖2 不同平距布置的高位定向鉆孔垮落后形態(tài)

3.2 高位定向鉆孔的布置范圍

對(duì)比煤層柱狀圖，40204 工作面頂板向上10～12 m、16～20 m、24～30 m 有穩(wěn)定砂巖層。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2]，計(jì)算冒落帶Hm高度為21.7 m、裂隙帶Hl高度為46.1～57.3 m。

式中：M為開(kāi)采煤層厚度，10.8 m；k為垮落巖石碎脹性系數(shù)，1.5；α為煤層傾角，6°。

根據(jù)工作面頂板巖層關(guān)系，對(duì)比煤層柱狀圖，可知40204 工作面頂板向上10～12 m、16～20 m、24～30 m 有穩(wěn)定砂巖層。高位定向鉆孔施工情況見(jiàn)表1、圖3。

表1 40204 工作面回風(fēng)巷鉆場(chǎng)高位定向鉆孔施工情況

圖3 40204 工作面回風(fēng)巷鉆場(chǎng)高位定向鉆孔施工圖

圖4 上隅角邁步式埋管和預(yù)抽巷密閉墻抽采示意

鉆孔孔徑選用Φ200 mm，瓦斯抽采管路管徑選取Φ450 mm。

4 抽采效果分析

40204 工作面8 月28 日回采，截至12 月下旬，工作面推采距離約600 m，工作面初次來(lái)壓步距為31 m，周期來(lái)壓步距約30 m。

40204 工作面推采0～620 m 段，工作面風(fēng)排瓦斯涌出量1.05～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.12～26.28 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量14.54～29.95 m3/min，如圖5。

圖5 40204 工作面瓦斯涌出量變化

1）“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+預(yù)抽巷密閉墻抽采”階段

工作面推采0～70 m 段，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.22%～0.34%，風(fēng)排瓦斯涌出量1.05～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.12～26.28 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量14.74～29.95 m3/min，如圖5。

高位定向鉆孔抽采瓦斯量4.58～11.63 m3/min，占抽采瓦斯量的35%～57%；預(yù)抽巷密閉墻抽采瓦斯量0.91～7.82 m3/min，占抽采瓦斯量的6%～37%；上隅角邁步式抽采瓦斯量0.93～4.29 m3/min，占抽采瓦斯量的6%～16%，如圖6。

圖6 40204 工作面采場(chǎng)瓦斯抽采量變化

工作面初次來(lái)壓之前，預(yù)抽巷密閉墻抽采效果較好，最大抽采瓦斯量7.82 m3/min。隨著工作面推采架后落頂，密閉墻抽采效果逐漸減弱，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛扔沙醮蝸?lái)壓前的0.22%～0.28%增大至初次來(lái)壓后的0.28%～0.32%。

2）“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管+預(yù)抽巷采后卸壓”抽采階段

工作面推采70～135 m 段，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.18%～0.32%，風(fēng)排瓦斯涌出量2.36～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.34～16.27 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量15.52～19.41 m3/min，如圖5。

高位定向鉆孔抽采瓦斯量3.36～7.5 m3/min，占抽采瓦斯量的22%～48%；預(yù)抽巷采后卸壓鉆孔抽采瓦斯量1.52～4.51 m3/min，占抽采瓦斯量的10%～30%；上隅角邁步式抽采瓦斯量1.58～2.32 m3/min，占抽采瓦斯量的11%～16%，如圖6。

3）“高位定向鉆孔+上隅角邁步式埋管”抽采階段

工作面推采135～620 m 段，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.1%～0.28%，風(fēng)排瓦斯涌出量1.46～3.67 m3/min，抽采瓦斯量12.52～18.47 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量15.14～21.12 m3/min。

由表1、表2、圖7 可以看出：

表2 40204 工作面回順鉆場(chǎng)高位定向鉆孔抽采情況

圖7 不同層位高位定向鉆孔瓦斯抽采量變化

1）層位是影響鉆孔抽采量的關(guān)鍵因素。高位定向鉆孔抽采量0.01～7.74 m3/min，其中第三層位鉆孔（G9、G10）抽采量大于第一層位鉆孔（G1～G4）、第二層位鉆孔（G5～G8）。

2）平距也是影響鉆孔抽采量的因素。第一層位中G1、G2 的抽采濃度、混合流量、抽采量均小于G3、G4；第一層位中G3、G4 與第二層位中G5～G8 抽采濃度、混合流量、抽采量基本相同。

3）周期來(lái)壓影響鉆孔抽采量。由圖7 可以看出，工作面抽采量變化較大時(shí)均出現(xiàn)來(lái)壓顯現(xiàn)。其中，工作面推采至149 m 時(shí)，發(fā)生第四次來(lái)壓，第三層位鉆孔抽采量增大，占定向鉆孔抽采量的18%～85%（平均值54.3%）；第四次來(lái)壓前，第一層位、第二層位鉆孔抽采量較大。

5 結(jié)論

1）大佛寺礦40204 工作面以高位定向鉆孔為主的瓦斯治理措施，高位定向鉆孔最大瓦斯抽采量達(dá)13.34 m3/min，有效解決了特厚煤層綜放工作面回采期間上隅角瓦斯超限的難題。

2）工作面采用的上隅角邁步式埋管和預(yù)抽巷密閉墻抽采，在工作面瓦斯治理量中比重較大，對(duì)高位定向鉆孔抽采提供了有效補(bǔ)充。

3）工作面頂板上方16～20 m、24～30 m 砂巖層，距回風(fēng)巷8～23 m 的高位定向鉆孔抽采效果較好。

4）高位定向鉆孔抽采瓦斯量既受布置層位、平距的影響，也受到周期來(lái)壓的影響，工作面來(lái)壓、涌出量變化期間應(yīng)加強(qiáng)工作面瓦斯管理。