采空區(qū)斜交抽采鉆孔參數(shù)的設(shè)計誤區(qū)

李艷群 陳 昊

（鐵法煤業(yè)〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司曉明礦 遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 采空區(qū)斜交鉆孔抽采的理論基礎(chǔ)

1.1 圍巖移動“三帶”劃分與瓦斯抽采簡析

煤層采動后，圍巖發(fā)生不同程度的破壞和變形，開采層上部依次出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶；下部產(chǎn)生裂隙帶和膨脹變形帶。

冒落帶瓦斯抽采抽出的瓦斯?jié)舛鹊?，抽放利用率也較低。

圖1

裂隙帶是抽放上鄰近層瓦斯的最佳地帶，如圖1所示，為沿煤層法線方向上采空區(qū)頂板冒落三帶與瓦斯?jié)舛确植嫉那闆r。頂板裂隙帶為采空區(qū)斜交鉆孔抽采主要作用區(qū)域。

靠近裂隙帶的彎曲變形帶因卸壓程度低，還有較好的抽放瓦斯效果。受卸壓作用影響煤層透氣性有所增加，使抽放卸壓瓦斯量比原始煤體高，抽出瓦斯?jié)舛纫草^高。

1.2 卸壓瓦斯“三期”劃分與巖移“三區(qū)”劃分

煤層開采后，礦壓顯現(xiàn)使煤體得到卸壓，工作面前方超前影響對鄰近層的瓦斯釋放作用很小，起主導(dǎo)作用的是煤層開采后形成的冒落空間。采空區(qū)達(dá)到一定距離和時間后，伸張的巖石又逐漸被壓實為壓縮變形，由開始卸壓經(jīng)過充分卸壓，最后達(dá)到穩(wěn)定期的三個區(qū)段，如圖2所示，也正是鄰近層瓦斯從開始期經(jīng)過活躍期最后達(dá)到衰退期的向采空區(qū)涌出的過程。卸壓瓦斯“三期”相對應(yīng)的賦存空間，即巖移“三區(qū)”；包括煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)。綜合表示圖如圖3。

圖2 沿工作面走向卸壓的三個區(qū)段

圖3 工作面巖移的“三區(qū)”與“三帶”

2 回采期間斜交抽采鉆孔參數(shù)的設(shè)計誤區(qū)

抽采實踐資料表明，沿工作面走向方向，煤壁前方（超過30m）至工作面后方40m左右，約兩個煤層垂直層間距為開始期，因煤層圍巖透氣性低的特點(diǎn)，此段超前抽采效果不好；30～80m左右，約二倍層間距為活躍期，此段為瓦斯抽采主要作用段；80m往后為衰退期。抽放鉆孔終孔落在活躍期時，抽出的瓦斯?jié)舛雀?，而且流量穩(wěn)定，服務(wù)時間較長。但有效鉆孔小于50%，造成鉆孔數(shù)目多，打鉆工程量大。

斜交抽采鉆孔設(shè)計參數(shù)包括開孔位置、孔深、傾角和方位角；在特定的鉆場施工時，就是確定鉆孔終孔點(diǎn)，確定相應(yīng)的有效抽采區(qū)域，并以此選擇確定鉆孔的孔深、傾角和方位角。依據(jù)理論鉆孔終孔點(diǎn)布置在瓦斯活躍期的裂隙帶內(nèi)，是理想的設(shè)計狀態(tài)；合理的抽采狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是相鄰兩鉆場的鉆孔有效抽采區(qū)域在空間上能夠重疊，并且前鉆場的高濃度終點(diǎn)恰好接續(xù)下一鉆場高濃度起點(diǎn)，即鉆孔有效抽采空間重疊和抽采連續(xù)。

“三區(qū)”與“三帶”的量化劃分是理論推導(dǎo)和經(jīng)驗公式計算的區(qū)域劃分；影響鉆孔抽采效果的因素中，除周期來壓步距有實際數(shù)據(jù)外，冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實際量化值；隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯活躍期裂隙帶的實際區(qū) 域也是變化、移動的，所以，鉆孔終孔點(diǎn)不能反映動態(tài)工作面中鉆孔實際有效抽采區(qū)域，在巖移裂隙帶離層區(qū)，因巖層移動，原煤壁支撐影響區(qū)施工的鉆孔也是彎曲下沉的，而非設(shè)計狀態(tài)，加上成孔時的孔斜因素，都造成斜交鉆孔空間上重疊不理想和實際抽采不接續(xù)或效果不佳。

上述分析反映出鉆孔終孔點(diǎn) （相應(yīng)的有效抽采區(qū)域）的設(shè)計選擇不合理，以靜態(tài)的、理論性的、總體經(jīng)驗上的瓦斯活躍期裂隙帶位置，來確定鉆孔終孔點(diǎn)，即實際動態(tài)有效抽采區(qū)域，是斜交抽采鉆孔設(shè)計的誤區(qū)；以鉆孔設(shè)計終孔點(diǎn)而非實際鉆孔有效抽采區(qū)域來評價斜交抽采鉆孔參數(shù)的的合理性，也是斜交抽采鉆孔設(shè)計反饋評價的誤區(qū)。

3 回采期間斜交抽采鉆孔參數(shù)的設(shè)計

3.1 回采中卸壓瓦斯“三期”有周期性和連續(xù)性

工作面推進(jìn)到一定距離后，隨著推進(jìn)長度的增大，冒落高度基本不變，而裂隙帶繼續(xù)擴(kuò)大。但在工作面均勻連續(xù)開采時，隨周期來壓步距的連續(xù)變化，采空區(qū)的“三帶”高度及相應(yīng)卸壓瓦斯“三期”也成周期連續(xù)變化；在抽采鉆場布置與周期來壓步距同步或等比時，上一鉆場鉆孔的有效抽采區(qū)域也會周期出現(xiàn)在相應(yīng)的空間位置。

3.2 抽放有效區(qū)域與各個抽放影響因素的關(guān)聯(lián)值

實際工作中，冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實測量化值；鉆孔彎曲下沉量、孔斜率也無實時動態(tài)量化值，瓦斯活躍期裂隙帶的實際區(qū)域也是無法界定，但上述各量化值都可用工作面煤壁位置或煤層頂板位置為參照點(diǎn)或相對原點(diǎn)；同時，工作面抽采中的鉆孔抽采效果可反映該鉆孔是否在實際有效抽采區(qū)域，而此時鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置、法線位置都可以確定并量化，通過測量開孔點(diǎn)（回順鉆場）到工作面的實際距離及鉆孔的傾角和方位角，可計算出具體值；此值，即鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置和法線位置值，是鉆孔在實際有效抽采區(qū)域時通過工作面（煤壁）與各個無法量化因素聯(lián)系的關(guān)聯(lián)值。

鉆孔的抽采效果可以測量和評價，這樣就把無法測量的動態(tài)因素通過關(guān)聯(lián)值量化；鉆孔抽采率高的關(guān)聯(lián)值區(qū)域，可以在下一抽采周期作為斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計的原始依據(jù)；因此值來源于實測，有可靠的參考和依托性，避免了使用鉆孔終孔點(diǎn)、“三期”、“三帶”等模糊值進(jìn)行設(shè)計參數(shù)。

在相同地質(zhì)條件和相同鉆孔施工工藝下，關(guān)聯(lián)值的使用也可以消除采空區(qū)鉆孔彎曲下沉和孔斜因素對抽放有效區(qū)域、鉆孔抽采效果評價的影響，可提高對回采期斜交抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化選擇。

圖4 關(guān)聯(lián)值進(jìn)行斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計剖面示意圖

3.3 采用關(guān)聯(lián)值進(jìn)行斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計

通過上一鉆場（鉆孔）或試驗鉆孔的抽放觀測，評定選取抽放有效區(qū)域，測量此時開孔點(diǎn)（回順鉆場）到工作面的實際距離，根據(jù)鉆孔的傾角和方位角，計算關(guān)聯(lián)值或關(guān)聯(lián)值區(qū)域，即鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置和法線位置值；然后根據(jù)回采推進(jìn)度確定或預(yù)計工作面位置，再結(jié)合下一鉆場（開孔位置），預(yù)計或圖上量取開孔點(diǎn)（回順鉆場）到工作面的距離，計算出鉆孔設(shè)計參數(shù)：鉆孔設(shè)計傾角和鉆孔設(shè)計方位角，如瓦斯活躍期界值取40米，孔深平距長度設(shè)計到預(yù)計工作面后（采空區(qū)）40米，根據(jù)鉆孔設(shè)計傾角和鉆孔設(shè)計方位角計算鉆孔長度（斜長）。如圖4、圖5

圖5 關(guān)聯(lián)值進(jìn)行斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計平面示意圖

4 結(jié)束語

采用關(guān)聯(lián)值進(jìn)行斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計的方法，運(yùn)用回采中卸壓瓦斯“三期”有周期性和連續(xù)性理論，解決冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實測量化值及鉆孔彎曲下沉量、孔斜率無實時動態(tài)量化值的問題；在實際工作中有可操作性，不具體界定瓦斯活躍期裂隙帶的實際區(qū)域，就能采用關(guān)聯(lián)值進(jìn)行斜交抽采鉆孔參數(shù)設(shè)計；在曉明礦北二采區(qū)上盤向斜構(gòu)造上的四個長走向采場都有應(yīng)用，仰采、俯采抽放效果良好。

［1］張鐵崗.煤礦安全工程設(shè)計[M].

［2］張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)[M].

［3］李國君，等.鐵法礦區(qū)煤層氣甲烷資源開發(fā)的理論基礎(chǔ)[M].

［4］張德江.大力推進(jìn)煤礦瓦斯抽采利用[M].