采空區高位瓦斯抽采技術應用研究

陳德山，張建江，楊婉欣

（1.蘭州石化職業技術大學 資源環境工程學院，甘肅 蘭州 730207；2.靖遠煤業集團 魏家地礦，甘肅 白銀 730913）

0 引言

目前，隨著煤炭開采深度的增加及高產、高效生產模式的普及，使煤礦在產能增加的同時也出現瓦斯涌出量過大、頻繁發生瓦斯超限的現象[1]，尤其在回采階段，本煤層、鄰近層瓦斯大量涌入采空區，極易造成工作面上隅角及回風巷形成瓦斯積聚[2]。現階段，瓦斯抽采是治理采空區瓦斯普遍采用的技術手段[3]，大量學者對此開展了研究，并取得了豐碩的成果。倪廉欽[4]在萬峰煤礦1201 工作面采用錯距式雙埋管技術抽采采空區瓦斯取得了較為顯著的抽采效果；崔鵬飛[5]等采用采空區埋管抽采與長距離高位鉆孔抽采相結合的方式，使成莊礦4321 工作面上隅角及回風巷瓦斯濃度降至1%以下；賈曉亮[6]通過高位定向長鉆孔替代頂板高抽巷的方法，使云南老廠礦區801 工作面上隅角的瓦斯降至0.6%、回風巷瓦斯降至0.4%；許石青[7]基于高位長距離定向鉆孔技術對盤江煤礦23125 工作面采空區高頂裂隙瓦斯進行抽放，使采空區瓦斯降至16%。此外，林海飛[8]、童碧[9]等學者采用高位定向長鉆孔代替高位抽采巷對采空區及上隅角瓦斯進行治理，結果表明，以高位定向長鉆孔代替高位巖石抽采巷（以孔代巷）具有施工方便、工程量小、成本低、效率高、鉆孔利用率高、抽采效果好等優點。目前，高位定向長鉆孔抽采技術已成為煤礦治理采空區瓦斯的首選技術[10]。

為減少魏家地礦北1103 工作面受采空區瓦斯涌出的影響，降低工作面上隅角及回風流的瓦斯濃度，本文設計高位定向長鉆孔技術方案，開展采空區瓦斯抽采工作，監測分析瓦斯抽采效果，以期徹底解決突出煤層采煤工作面上隅角及回風流瓦斯超限問題，并為類似礦井采空區及上隅角瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

北1103 工作面位于魏家地礦北一采區南翼，工作面運輸巷與北1101 回風巷留設8.0 m 凈煤柱，回風巷在原始煤層中掘進，工作面東部為北1101綜放工作面，南部為F3 逆斷層，西部為原始一煤層，北部為北一運輸、軌道、回風石門保護煤柱。工作面為北一采區一煤層工作面，煤層巖性特征為黑色、半亮—半暗型、鱗片狀，內生裂隙發育，瀝青光澤，以粉沫狀為主，屬煤與瓦斯突出煤層。沿走向自南向北煤層厚度逐漸變薄，煤層總厚度5.71～16.96 m，平均總厚度為11.2 m，平均可采厚度為8.1 m。煤層結構復雜，夾矸1～6 層，厚度0.35～5.48 m，沿走向自南向北煤層夾矸層數變少，厚度變厚。工作面在回采期間，瓦斯涌出量較大，最大瓦斯涌出量為7～8 m3/min，使工作面上隅角和回風巷頻繁發生瓦斯超限情況，嚴重制約工作面安全回采，且工作面頂板裂隙帶范圍存在泥巖層，在工作面采取“高位鉆場頂板巖石走向鉆孔+回風穿層高位鉆孔”抽采裂隙帶瓦斯措施時，鉆孔頻繁受泥巖層影響縮孔，致使大部分鉆孔抽采失效，采空區裂隙帶瓦斯不能有效抽采。

1.2 工作面頂板巖性情況

工作面煤層頂板巖性分別為基本頂，灰白色，粗砂巖、含礫粗砂巖，厚度5.03～13.07 m，成份以石英為主，其次為長石，含白云母片，局部含黃鐵礦、暗色礦物、煤屑，鈣、泥質膠結；直接頂,灰黑色、灰色,粉砂巖、細粗砂巖，厚度0.56～1.46 m,含植物化石碎片，白云母片，煤屑，局部夾煤線和泥巖；偽頂，深灰色，炭質泥巖、炭質粉砂巖，厚度0.3～0.6 m，薄層狀，可塑性較好，局部夾煤線。

2 高位鉆孔瓦斯抽放原理

工作面開采后，上覆巖層原有的應力平衡被打破，形成新的應力平衡，上覆巖層會出現離層裂隙與豎向破斷裂隙，自上而下依次形成完全下沉帶、裂隙帶及垮落帶[11-12]。其中，最下層的垮落帶裂隙最為發育且巖塊呈不規則的垮落，裂隙帶上部多以離層裂隙發育為主，下部多以破斷裂隙發育為主，彎曲下沉帶裂隙不發育[13]。采空區形成新的應力平衡后，四周關鍵層下部會形成橫向連通的采動裂隙發育區，而中部頂板巖層裂隙則會被壓實，即會出現一個“O”形圈。隨著工作面的不斷推移，“O”形圈也會隨工作面的推移而推移，其移動速度與工作面的推進速度大致相當。在瓦斯濃度及壓力的雙重影響下，“O”圈上下兩側的煤層瓦斯向圈內滲透擴散，使“O”形圈成為瓦斯的富集區[14]。高位瓦斯抽采鉆孔是一般由回風巷向煤層頂板鉆孔，利用工作面回采后形成的頂板裂隙作為瓦斯抽放的通道。把高位瓦斯抽采鉆孔布置在“O”形圈內，鉆孔能夠長時間、高效的抽采瓦斯[15]。

根據高位瓦斯鉆孔技術原理，為避免扇形鉆孔施工受泥巖影響問題，項目決定在北1103 工作面采取頂板高位定向長鉆孔技術，可減少鉆孔施工受泥巖層的影響，有效抽取瓦斯。

3 定向高位鉆場鉆孔設計與施工

3.1 鉆孔高度設計

依據“三帶”劃分理論，工作面上覆巖層自上而下分別為彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶。由于裂隙帶內裂隙發育充分且穩定，一般將高位定向鉆孔布置在工作面上覆巖層的裂隙帶內[16]。

根據煤層開采后垮落帶與裂隙帶的高度計算公式[17]：

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hi為裂隙帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

由以上兩式可以計算出垮落帶高度為39.01～41.21 m，裂隙帶高度為119.36～140.2 m。

根據魏家地礦的地層物理學參數，采用FlAC3D 建立北1103 工作面的地層模型，當工作面開挖后，其頂板垂直應力分布如圖1 所示，頂板塑性區分布如圖2 所示。

圖1 工作面開挖后垂直應力分布云圖Fig.1 Vertical stress distribution cloud map after excavation of working face

圖2 工作面開挖后頂板塑性區分布Fig.2 Distribution of plastic zone of roof after excavation of working face

從圖1 可知，隨著工作面的回采工作的進行，工作面頂板形成應力卸壓區，泄壓應力在走向和傾向均呈現四周高、中間低的馬鞍形狀，總體以橢球體狀呈現，其高度為118.73 m，說明頂板裂隙帶最大高度約為118.73 m。

從圖2 可知，當工作面開挖后，關鍵層上方巖石未出現明顯的塑性區分布，而關鍵層下方巖層出現較為典型的馬鞍形塑性區，其最大高度約為39.13 m，說明垮落帶的最大高度為39.13 m。

綜合以上計算和模擬結果，最終確定垮落帶高度為39.46 m，裂隙帶高度為125.45 m。結合魏家地礦前期高位鉆孔的布孔經驗數據，1 號和2 號鉆場的鉆孔高度為55～ 70 m，鉆孔剖面布孔如圖3所示。

圖3 北1103 工作面回風巷高位定向鉆孔剖面Fig.3 High-level directional drilling profile of return airway in North 1103 working face

3.2 鉆孔平面位置設計

根據北1103 工作面布置特征，在距北1103 工作面回風巷開口位置以南680 m 處布置第一個鉆場（即1 號鉆場），在北1103 工作面回風巷開口位置布置第二個鉆場（即2 號鉆場）。鉆場在北1103 工作面回風巷南幫布置，鉆場寬7.0 m，深3.8 m，高2.8 m，鉆場采用錨網索支護。通過鉆場施工定向高位鉆孔降低北1103 工作面回采期間瓦斯涌出。結合該礦的經驗數據，在1 號鉆場內共布置7 個高位定向鉆孔，內錯于北1103 回風巷的距離為20～60 m，鉆孔進尺1 876 m。2 號鉆場內共布置7 個高位定向鉆孔，內錯于北1103 回風巷的距離為0.5～36 m，鉆孔進尺1 680 m。鉆孔平面布孔如圖4 所示。

圖4 北1103 工作面回風巷高位定向鉆孔平面Fig.4 Plane diagram of high-level directional drilling in return airway of north 1103 working face

3.3 鉆孔參數設計

3.3.1 1 號鉆場鉆孔參數設計

工作面現回采至420 m 點，預計施工時回采至450 m 點，頂板定向高位鉆孔設計應進入采空區30 m。在1 號鉆孔內設計施工7 個鉆孔，孔徑153 mm，孔深268 m，總進尺1 876 m。1 號鉆場定向高位鉆孔設計參數詳見表1。

表1 北1103 工作面回風巷1 號鉆場頂板定向高位鉆孔設計參數Table 1 Design parameters of directional high-level borehole in roof of No.1 drilling field in return airway of north 1103 working face

3.3.2 2 號鉆場鉆孔參數設計

2 號鉆場設計的頂板定向高位鉆孔應搭接1 號高位鉆孔，在2 號鉆孔內設計施工7 個鉆孔，孔徑153 mm，孔深240 m，總進尺1 680 m。2 號鉆場定向高位鉆孔設計參數詳見表2。

表2 北1103 工作面回風巷2 號鉆場頂板定向高位鉆孔設計參數Table 2 North 1103 working face return air roadway No.2 drilling field roof directional high drilling design parameters

3.4 高位定向鉆孔施工情況

在魏家地煤礦北1103 工作面回風巷，施工2個鉆場共計14 個頂板高位定向鉆孔，每個鉆場各7 個。在實際施工中，1 號鉆場鉆孔深度最小265 m，最大271 m，孔徑153 mm，總進尺1 876 m；2 號鉆場鉆孔深度最小238 m，最大241 m，孔徑153 mm，總進尺1 680 m。在施工過程中，工程進展順利，所有鉆孔成孔較為完整，未發生因泥巖層導致的縮孔情況，施工進度未受泥巖層影響，鉆孔施工結果達到了預期效果。鉆孔實鉆軌跡如圖5、圖6 所示。

圖5 1 號鉆場實鉆軌跡圖Fig.5 The actual drilling trajectory of No.1 drilling site

圖6 2 號鉆場實鉆軌跡圖Fig.6 Trajectory diagram of No.2 drilling field

4 瓦斯抽采效果分析

4.1 1 號高位定向鉆孔抽采效果分析

1 號鉆場7 個高位定向鉆孔于2022 年1 月5日開始聯網抽采，2022 年6 月2 日停止抽采，累計抽采時間148 d。為考察高位鉆孔的抽采效果，統計了2022 年3 月5 日—2022 年4 月14 日單日瓦斯抽采純量（圖7）、回采工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度（圖8）。

圖7 1 號鉆場高位鉆孔瓦斯抽采純量Fig.7 Pure amount of gas extraction from high-level boreholes in No.1 drilling site

圖8 上隅角和回風流瓦斯體積分數Fig.8 Upper corner and gas volume fraction of return air flow

由圖7 可知，連續統計的40 d 中，1 號鉆場單日瓦斯抽采純量有較大波動，瓦斯抽采純量最大2.8 m/min，最小1.4 m/min，平均瓦斯抽采純量2.15 m3/min。

由圖8 可知，連續統計的40 d 中，上隅角瓦斯濃度有較大幅度波動，上隅角最大瓦斯濃度為0.66%,最小瓦斯濃度為0.32%，平均瓦斯濃度為0.48%；采煤工作面回風巷風流中，瓦斯濃度在較小范圍內有波動，但總體呈現下降趨勢，最大瓦斯濃度為0.38%，最小瓦斯濃度為0.14%，平均瓦斯濃度為0.25%。

4.2 2 號高位定向鉆孔抽采效果分析

2 號鉆場7 個高位定向鉆孔于2022 年5 月17日開始聯網抽采，2022 年10 月2 日停止抽采，累計抽采時間138 d。為考察2 號鉆場高位鉆孔的抽采效果，統計了2022 年5 月17 日—2022 年6 月26 日單日瓦斯抽采純量（圖9）、回采工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度（圖10）。

圖9 2 號鉆場高位鉆孔瓦斯抽采純量Fig.9 Pure amount of gas extraction from high-level boreholes in No.2 drilling site

圖10 上隅角和回風流瓦斯體積分數Fig.10 Upper corner and gas volume fraction of return air flow

由圖9 可知，連續統計的40 d 中，2 號鉆場單日瓦斯抽采純量波動幅度較大，總體呈升高趨勢，這是由于后期1 號鉆場停采導致、2 號鉆場抽采范圍擴大的原因所致。其中瓦斯抽采純量最大為2.8 m/min，最小1.1 m/min，平均瓦斯抽采純量1.97 m/min，較1 號鉆場瓦斯抽采純量略有下降。

由圖10 可知，連續統計的40 d 中，上隅角瓦斯濃度依然有較大波動幅度，且總體呈現上升趨勢，上隅角最大瓦斯濃度為0.48%,最小瓦斯濃度為0.20%，平均瓦斯濃度為0.37%；采煤工作面回風巷風流中，瓦斯濃度波動范圍較小，總體呈現下降趨勢，最大瓦斯濃度為0.28%，最小瓦斯濃度為0.12%，平均瓦斯濃度為0.22%。與1 號鉆場抽采時的瓦斯濃度相比較，2 號鉆場抽采時上隅角、采煤工作面回風流的瓦斯濃度有了明顯的下降，這是由于1 號鉆場抽采后，采空區瓦斯含量減少的原因導致的。

5 結論

（1）根據北1103 工作面裂隙帶和垮落帶的高度，結合前期高位鉆孔的布孔經驗，確定了1 號、2 號鉆場的鉆孔高度為55～70 m，1 號鉆場各鉆孔內錯于回風巷20～60 m，鉆孔總進尺1 876 m，2 號鉆場各鉆孔內錯于回風巷0.5～36 m，鉆孔總進尺1 680 m。

（2）1 號鉆場抽采期間，工作面上隅角平均瓦斯濃度為0.48%，回風流平均瓦斯濃度為0.25%，2 號鉆場抽采期間，工作面上隅角平均瓦斯濃度為0.37%，回風巷瓦斯濃度為0.22%，瓦斯均未超限，抽采效果明顯。

（3）相較于“高位鉆場頂板巖石走向鉆孔+回風穿層高位鉆孔”抽采技術，利用高位定向長鉆孔技術可解決鉆孔施工受泥巖層影響而縮孔的難題。