定向長鉆孔在綜放工作面采空區瓦斯抽采中的應用

柴金軍

（汾西礦業集團賀西煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

瓦斯是影響井下采掘工作安全開采的不利因素之一，瓦斯抽采是治理瓦斯突出、減少瓦斯涌出的主要措施[1-2]。普通的回轉鉆機施工的瓦斯抽采鉆孔具有鉆孔軌跡不清晰、鉆孔鉆進距離短以及自動化程度低等問題，為實現瓦斯高效治理并解決瓦斯抽采空白帶問題，布置的鉆孔間距往往減少，即通過增加鉆孔數量密度鉆機性能低、鉆孔軌跡不詳以及覆蓋范圍小等問題。定向長鉆孔采用先進的鉆機設備、軌跡測量系統等，可確保鉆孔按照預先設計的軌跡鉆進，在防治水、地質探測及瓦斯治理中均有較好應用[3-5]。文中就以23101 綜放工作面采空區瓦斯治理為工程背景，對定向長鉆孔應用情況進行分析，以期為其他礦井類似情況瓦斯治理工作開展提供經驗借鑒。

1 工程概況

山西某礦23101（全文簡稱23101）綜放工作面設計傾向、走向長度分別為870 m、180 m，設計采放比為1.00∶1.62，采面回采的3-1 號煤層賦存穩定，原始瓦斯含量為7.82 m3/t。3-1 號煤層為礦井主采煤層之一，具有賦存穩定、發熱量高以及開采經濟效益顯著等優點。3-1 號煤層傾角0°～10°，頂底板巖性以粉砂巖、炭質泥巖、砂質泥巖以及泥巖為主。23101 綜放工作面采用一進一回的U 型通風方式，設計供風量為2 950 m3/min，采面回采期間瓦斯涌出量最大為35 m3/min，其中采空區瓦斯涌出量達到19 m3/min，雖然采用采空區埋管抽采瓦斯，但是瓦斯涌出量仍較大。分析主要是由于采面漏風量大導致，為此提出在采面后方懸掛廢棄風筒布、端頭懸空頂板爆破弱化等方式減少漏風量基礎上，增加定向長鉆孔實現采空區頂板裂隙瓦斯抽采，從而達降低采空區瓦斯涌出量，避免回風上隅角、回風巷等位置出現瓦斯超限。

2 定向長鉆孔瓦斯抽采應用

2.1 定向長鉆孔布置層位

采用定向長鉆孔抽采采空區頂板裂隙瓦斯時，首先應確定鉆孔布置層位，為此提出綜合采用理論計算、數值模擬技術確定采空區頂板垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶高度，并結合現場實際情況合理確定定向長鉆孔層位、與回風巷水平間距。

2.1.1 理論計算

煤炭回采頂板垮落形成的冒落帶、裂隙帶高度與煤層傾角、覆巖巖性及頂板管理方式等有關，具體冒落帶、裂隙帶可通過下屬公式計算確定[6-7]：

式中：Hm、Hl分別為冒落帶、裂隙帶發育高度，m；M 為煤層開采高度，取值6.0 m。

將開采高度6 m 帶入到式（1）、式（2）中分別計算得到Hm=23.2～32.76 m、Hl=60.96～74.94 m。

2.1.2 數值模擬確定

采用UDEC 軟件依據23101 綜放工作面現場條件構建仿真模型，對回采后頂板覆巖跨落情況進行分析，具體不同推進距離下頂板覆巖垮落形態變化情況見圖1 所示。

圖1 覆巖垮落形態變化

23101 綜放工作面回采后，直接頂由于強度較低出現一定程度的彎曲變形，當回采推進距離超過30 m時，直接頂出現部分垮落，最大垮落高度達到2 m；當采面推進50 m 時，直接頂已完全垮落，基本頂出現回轉失穩，此時采面出現初次來壓，具體見圖1-1 所示，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發育高度約為45 m；當采面推進至65 m 時，基本頂在覆巖應力及自身重力等作用下出現大量裂隙，液壓支架出現下沉、阻力增大、煤壁出現一定程度片幫、底板有底鼓情況，采面出現第一次周期來壓，周期來壓步距在15 m左右，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發育高度則增加至60 m；當采面推進至90 m 時，頂板關鍵層開始出現破斷，關鍵層之上巖體出現一定程度的彎曲下沉并伴隨產生少量裂隙，具體見圖1-2 所示，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發育高度則增加至63 m；當采面回采超過220 m 后，覆巖頂板垮落、彎曲變形充分，冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶高度穩定，具體見圖1-3 所示，此時冒落帶、裂隙帶發育高度分別為20 m、66 m。從模擬結果看出，在開采初期由于頂板垮落不充分，冒落帶與裂隙帶發育高度隨開采距離增加而增大，當出現初次來壓后冒落帶高度基本穩定、后續不再增加，而裂隙帶高度隨著覆巖變形呈現不斷增加趨勢；采面推進超過220 m 后，覆巖移動基本平穩，裂隙帶發育高度基本不再增加，最終穩定到66 m。

結合理論計算機數值模擬結果，判斷23101 綜放工作面回采后覆巖垮落帶與裂隙帶邊界約為20 m、彎曲下沉帶與裂隙帶邊界約為66 m。

2.2 定向長鉆孔應用

施工的高位定向鉆孔層位應布置在裂隙帶中，充分利用裂隙帶裂隙發育、裂隙瓦斯濃度高優點，攔截采空區瓦斯。為便于高位鉆孔施工并避免鉆孔塌孔問題，布置的高位鉆孔應盡量靠近裂隙帶上邊界，但是裂隙帶上邊界存在部分裂隙閉合問題，會弱化瓦斯抽采效果。綜合覆巖裂隙帶發育高度以及覆巖巖性，最終確定將裂隙帶層位布置在距離3-1 號煤層40～60 m 位置，高位鉆孔與回風巷間水平間距控制在15～48 m。

由于采空區瓦斯涌出量大，為有效攔截采空區瓦斯涌出，現場共計布置5 個高位定向鉆孔，具體布置見圖2 所示。為避免鉆孔鉆進對回采影響，在采區回風大巷靠近23101 回風巷20 m 位置布置寬、深、高分別為6 m、3 m、5 m 的鉆場，鉆場采用錨網索支護方式，頂板及鉆場兩幫均鋪設金屬網，在鉆孔施工位置則僅通過錨桿支護；同時由于鉆場跨度大，采用單體+工字鋼強化頂板支護。

圖2 定向長鉆孔布置示意圖

在鉆場內布置5 個高位定向長鉆孔，鉆孔采用ZYWL-6000DS 鉆機，高位定向長鉆孔設計為三開結構，一開孔徑120 mm、二開孔徑165 mm、三開孔徑203 mm。具體施工的各高位定向長鉆孔結構為：1 號高位定向長鉆孔一開120 mm、鉆孔鉆進深度為895 m，鉆孔未擴孔；2 號高位定向長鉆孔一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度615 m，三開203 mm、擴孔深度403 m；3 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度678 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度456 m；4 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度662 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度365 m；5 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度577 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度515 m。具體高位定向長鉆孔施工技術參數見表1 所示。

表1 高位定向長鉆孔施工技術參數

3 高位定向鉆孔瓦斯抽采效果

對23101 綜放工作面回采期間高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度、純量等參數進行實時監測，具體結果見圖3 所示。

圖3 瓦斯抽采監測結果

從圖3 中看出，5 個定向長鉆孔瓦斯抽采純量在7.2～16.94 m3/min，均值為11.25 m3/min；瓦斯抽采體積分數在27%～47%，均值為35%。在23101 綜放工作面布置的高位定向長鉆孔可服務采面整個回采區間，高位定向長鉆孔瓦斯抽采純量及濃度較為穩定，可有效攔截采空區瓦斯，有助于降低回風巷、回風上隅角位置瓦斯濃度。采面生產期間，回風巷、回風上隅角瓦斯體積分數最高分別為0.34%、0.43%，瓦斯濃度在允許范圍內。

4 結論

1）23101 綜放工作面回采期間自身瓦斯含量高、采空區遺煤量多以及受采空區漏風量大等因素影響，導致采空區瓦斯涌出量達到19 m3/min，占整個采面瓦斯涌出量的54.3%。采空區大量高濃度瓦斯涌出，容易導致回風上隅角及回風巷中瓦斯超限，影響采面生產安全。為實現采面采空區瓦斯高效治理，提出采用定向長鉆孔抽采采空區內頂板裂隙瓦斯，利用定向長鉆孔覆蓋范圍大、距離長、抽采效果高以及服務時間長等優點，實現采面回采期間采空區頂板裂隙瓦斯持續抽采。

2）高位定向長鉆孔布置層位會直接影響裂隙瓦斯抽采效果，綜合采用理論計算、數值模擬技術手段確定23101 綜放工作面回采后頂板冒落帶、裂隙帶范圍，并依據計算結果，最終確定將高位定向長鉆孔布置在距離3 號煤層頂板40～60 m 的粉砂巖層中，與回風巷間水平間距為15～48 m。

3）現場應用后，高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度、抽量等參數較為穩定，其中抽量、體積分數均值分別為11.25 m3/min、35%，鉆孔可覆蓋23101 綜放工作面整個回采周期；回風上隅角、回風巷中瓦斯體積分數0.34%、0.43%，采面回采期間未出現瓦斯超限或者瓦斯濃度明顯增高情況。