扇形高位鉆孔與傾向高位巷瓦斯抽采效果對(duì)比分析研究

劉 洋 吳世躍 李進(jìn)鵬

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.華晉焦煤公司，山西省離石市，033000）

扇形高位鉆孔與傾向高位巷瓦斯抽采效果對(duì)比分析研究

劉 洋1吳世躍1李進(jìn)鵬2

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.華晉焦煤公司，山西省離石市，033000）

為了解決工作面瓦斯超限問(wèn)題，沙曲礦在24207工作面進(jìn)行了大孔徑鉆孔替代傾向高位巷抽采裂隙帶瓦斯的試驗(yàn)。結(jié)果表明，使用大孔徑鉆孔抽采效果較為顯著，現(xiàn)場(chǎng)工程中一個(gè)鉆場(chǎng)5個(gè)鉆孔的平均抽采純量12.20 m3／min，高于傾向高位巷10.05 m3／min的抽采純量，且有效控制范圍是傾向高位巷的1.4～2倍。

大孔徑鉆孔 傾向高位巷 瓦斯抽采 沙曲礦

沙曲礦屬于典型的高瓦斯且具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的礦井。24207工作面位于該礦4＃煤層，煤層平均厚度為4.50 m，平均傾角5°。向上距離2＃煤層平均10.5 m，向下距離5＃煤層平均5.6 m，其中2＃煤層平均厚度為1.04 m，5＃煤層平均厚度為3.3 m。工作面采用傾向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高開采方法，頂板管理采用全部垮落法?；夭善陂g產(chǎn)量在3000 t／d時(shí)，工作面平均絕對(duì)瓦斯涌出量為62.38 m3／min，本煤層瓦斯涌出占63%，鄰近層瓦斯涌出占37%。由于鄰近層瓦斯涌出所占比例較大，對(duì)鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采成為瓦斯治理中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

由德鉆ADR-250型大孔徑高位鉆孔 （以下簡(jiǎn)稱德鉆孔）代替傾向高位巷是沙曲礦在24207工作面回風(fēng)巷施工的重點(diǎn)項(xiàng)目，取得了較好的抽采效果。本文就該抽采技術(shù)的原理、工程布置方式進(jìn)行分析，通過(guò)與傾向高位巷在控制范圍、抽采純量等方面進(jìn)行對(duì)比，闡述了在高瓦斯礦井使用大孔徑德鉆孔進(jìn)行瓦斯治理的優(yōu)點(diǎn)及進(jìn)行技術(shù)推廣的可行性。

1 裂隙帶瓦斯抽采原理

1.1 裂隙帶煤巖變形及瓦斯運(yùn)移規(guī)律

明確裂隙帶瓦斯運(yùn)移及分布規(guī)律是合理布置抽放系統(tǒng)的重要前提。根據(jù)礦山開采煤巖沉降理論，上覆巖層會(huì)因?yàn)橄虏康膸r層垮落沉降形成巖層間的離層裂隙和豎向破斷穿層裂隙。覆巖層層面離層裂隙和穿層破斷裂隙相互貫通，形成隨工作面推進(jìn)動(dòng)態(tài)變化的采動(dòng)裂隙帶。裂隙帶的形成為本煤層及鄰近2＃煤層中的卸壓瓦斯流動(dòng)提供了通道。對(duì)于2＃煤層的卸壓瓦斯，首先在濃度差作用下，瓦斯從沒(méi)有裂隙的煤體擴(kuò)散到周圍的裂隙中去，然后在壓力差作用下，瓦斯沿裂隙滲流到煤層上部離層裂隙內(nèi)。對(duì)于本煤層瓦斯，會(huì)沿著采動(dòng)斷層裂隙通道上升，最終聚集在裂隙帶上部的離層裂隙內(nèi)。綜合分析可知，將抽采鉆孔布置在離層裂隙發(fā)育且能長(zhǎng)時(shí)間保持的區(qū)域，有利于卸壓瓦斯流動(dòng)到抽采鉆孔，保證鉆孔有效抽采時(shí)間長(zhǎng)、瓦斯抽采率高。

1.2 鉆孔瓦斯流動(dòng)規(guī)律

將煤巖層看成均勻多孔介質(zhì)，在壓差的作用下，瓦斯在煤體中的流動(dòng)屬于多孔滲流。若將傾向高位巷看成大直徑鉆孔，在鉆孔長(zhǎng)期抽采條件下煤巖層中的瓦斯流動(dòng)可看成徑向穩(wěn)態(tài)滲流。瓦斯在煤巖層中徑向流動(dòng)見(jiàn)圖1。

圖1 瓦斯在煤巖層中徑向流動(dòng)

在第一類邊界條件下，利用徑向穩(wěn)態(tài)滲流微分方程可以求出煤巖層中任意一點(diǎn)的瓦斯壓力：

式中：R1——鉆孔半徑，m；

R0——鉆孔影響的極限半徑，m；

r——任一點(diǎn)到鉆孔的法向距離，m；p0——煤層原始瓦斯壓力，Pa；p1——鉆孔中的瓦斯壓力，Pa；

p——距鉆孔r處的瓦斯壓力，Pa。

由式 （1）可以看出，從鉆孔孔壁到瓦斯源邊界，壓力分布呈對(duì)數(shù)關(guān)系，r相同的各點(diǎn)壓力相等。因此，平面徑流的等壓線是以鉆孔軸線為中心的同心圓，越靠近鉆孔處等壓線越密。在一定的范圍內(nèi)，隨著r的增大，煤層中瓦斯壓力迅速上升，在邊緣處壓力變化較為緩慢。由于瓦斯在煤層中流動(dòng)受到阻力作用，抽采系統(tǒng)作用到煤層的抽采負(fù)壓只能使煤層一定區(qū)域內(nèi)的瓦斯流動(dòng)。因此，鉆孔的抽采量是一定的：

式中：Q——鉆孔瓦斯抽采量，m3／d；

l——深入煤體的鉆孔長(zhǎng)度，m；

K——煤層滲透率，m2；

μ——瓦斯絕對(duì)粘度，Pa·s。

從式 （2）可以得知提高瓦斯抽采量的途徑：鉆孔瓦斯抽采量與煤巖層滲透率成正比，應(yīng)將鉆孔布置在孔隙率較大的地方；與瓦斯壓力差成正比，應(yīng)盡量降低鉆孔中的負(fù)壓；與鉆孔在煤層中的長(zhǎng)度成正比，應(yīng)盡量加大在煤層中的鉆孔長(zhǎng)度；與鉆孔半徑成正比，可適當(dāng)增大鉆孔半徑。

對(duì)于正常生產(chǎn)礦井而言，由于受抽采泵、抽放管路的限制，總抽采負(fù)壓相對(duì)固定；礦井小區(qū)域內(nèi)煤層及覆巖相對(duì)穩(wěn)定，采空區(qū)覆巖垮落后同一水平孔隙率的分布變化較小。因此，若想提高單個(gè)鉆孔抽采量，必須從增大鉆孔孔徑和長(zhǎng)度兩個(gè)方面入手。因此采用高位巷進(jìn)行瓦斯治理受到煤礦的青睞。實(shí)踐表明，高位巷治理瓦斯技術(shù)具有抽采量大、抽采效果明顯、便于日常管理、觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。但是從經(jīng)濟(jì)效益考慮，該技術(shù)具有巷道施工工程量大、巖巷掘進(jìn)速度慢、工期較長(zhǎng)、費(fèi)用較高等缺點(diǎn)。

為節(jié)省開資，提高瓦斯治理效率，沙曲礦根據(jù)本礦地質(zhì)條件和瓦斯賦存特征，引進(jìn)了德國(guó)先進(jìn)的ADR-250型鉆機(jī)。該型鉆機(jī)鉆孔最大長(zhǎng)度約250 m，孔徑為250 mm，擴(kuò)徑孔徑為320 mm。

2 傾向高位巷和鉆孔的布置方式

24207工作面帶式輸送機(jī)巷與回風(fēng)巷間留煤柱寬45 m，在回風(fēng)巷內(nèi)共布置9個(gè)鉆場(chǎng)。為了與傾向高位巷的抽采效果進(jìn)行對(duì)比，在該工作面與鉆場(chǎng)交叉施工了8條傾向高位巷，鉆場(chǎng)與傾向高位巷平均間距100 m。工程施工情況見(jiàn)圖2。

工程施工圖鉆場(chǎng)高寬均為4 m，深2.5 m。每個(gè)鉆場(chǎng)均布置5個(gè)高位鉆孔，在頂板處開孔，鉆孔呈扇形布置。依據(jù)本礦煤巖層垮落運(yùn)移規(guī)律確定鉆孔參數(shù)，5個(gè)鉆孔傾角分別為37°、36°、33°、30°、27°，與尾巷走向方位夾角分別為90°、77°、65°、56°、48°。各鉆孔均向帶式輸送機(jī)巷并偏向切眼方向鉆進(jìn)，孔深90 m。鉆孔終孔位于帶式輸送機(jī)巷以內(nèi)20 m、頂板以上54 m左右，所有鉆孔均采用聚氨脂封孔。傾向高位巷由回風(fēng)巷沿走向往煤層頂板方向施工，斷面為2.4 m×2.4 m，在煤層底板處以40°起坡，爬至回采煤體上方45 m，沿傾向方向向被保護(hù)段施工15 m。

圖2 工程施工圖

3 抽采效果對(duì)比

3.1 控制范圍

鉆場(chǎng)的控制范圍是合理布置鉆場(chǎng)間距的重要前提條件，也是衡量抽采效果好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)?？刂品秶拇笮≈饕蓡慰子行Э刂瓢霃胶徒K孔布置位置決定。對(duì)于同一工作面，不同鉆孔控制半徑相對(duì)大小只與鉆孔半徑R1有關(guān)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期抽采達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，利用式 （1）可以得到不同孔徑鉆孔等壓距r與鉆孔半徑R1的關(guān)系：

在鉆孔負(fù)壓p1遠(yuǎn)小于煤層原始瓦斯壓力p0的條件下，由式 （3）可知，p較小時(shí)，等壓線分布受鉆孔半徑影響較大，但p增大到一定值后鉆孔半徑的影響可忽略不計(jì)，即不同孔徑鉆孔的等壓線分布基本重合。4＃煤層原始瓦斯壓力1.5 MPa，按照煤層殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa，達(dá)到防突要求的標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)場(chǎng)利用鉆孔測(cè)試法測(cè)知德鉆孔的極限有效抽采半徑為3.2 m。利用式 （3），若將24207工作面傾向高位巷近似看成直徑為4510 mm的鉆孔，則傾向高位巷的極限抽采影響半徑是單個(gè)鉆孔 （直徑320 mm）的3.85倍，即有效抽采直徑在24 m左右。

但對(duì)于一個(gè)鉆場(chǎng)而言，由以上實(shí)際布置參數(shù)可以得知整個(gè)鉆場(chǎng)終孔的相對(duì)位置，鉆場(chǎng)終孔位置參數(shù)見(jiàn)表1。從表1可以看出整個(gè)鉆場(chǎng)的覆蓋范圍由1?？缀?＃孔決定，兩孔終孔位置在垂直煤層方向相距13.3 m，沿工作面推進(jìn)方向相距27.34 m，距帶式輸送機(jī)巷內(nèi)側(cè)壁最大投影距離25.38 m。根據(jù)多孔同時(shí)工作相互影響符合勢(shì)的疊加理論：

式中：pm——n個(gè)鉆孔在m點(diǎn)產(chǎn)生的負(fù)壓和，Pa；

qi——第i個(gè)鉆孔抽采量，m3／d；

ri——第i個(gè)鉆孔到m點(diǎn)的法向距離，m。

若m點(diǎn)在1?？缀??？捉K孔孔壁處，各鉆孔的抽采量等同，將表1中的數(shù)據(jù)代入式 （3）和式（4）計(jì)算得知，5個(gè)鉆孔使1＃孔和5?？椎目刂品秶龃笾猎瓉?lái)單孔的3.3倍和3倍。整個(gè)鉆場(chǎng)在沿工作面推進(jìn)方向的抽采控制范圍達(dá)48 m，在垂直煤層方向達(dá)32 m，遠(yuǎn)大于傾向高位巷半徑12 m的控制范圍，即為傾向高位巷控制范圍的1.4～2倍，與下面談及的有效抽采時(shí)間相呼應(yīng)，證明了此分析結(jié)果的正確性。

表1 鉆場(chǎng)終孔位置參數(shù)

3.2 抽采效果觀測(cè)及分析

沙曲礦每天派瓦檢員到井下對(duì)各抽放鉆孔及傾向高位巷的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量記錄，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行了匯總分析。

圖3 鉆場(chǎng)瓦斯抽采量

圖3為2＃德鉆場(chǎng)自2011年4月6日-6月7日的抽采純量記錄。由圖3可以看出：4月12日，工作面距離鉆場(chǎng)37 m時(shí)，鉆場(chǎng)抽到大量的卸壓瓦斯，純量迅速上升至17.37 m3／min；到5月30日，瓦斯純量一直維持在13 m3／min左右，抽采純量較穩(wěn)定；有效抽采時(shí)間達(dá)63 d，平均抽采量為12.20 m3／min。

圖4為2＃傾向高位巷自2011年10月2日-11月16日的抽采純量記錄。由圖4可以看出：至10月4日，工作面推過(guò)傾向高位巷幾十米時(shí)抽采純量才達(dá)到6.5 m3／min左右，相對(duì)于大孔徑鉆孔具有較大的滯后性；10月25日抽采純量上升到10 m3／min以上，最高可達(dá)到17.32 m3／min；之后又有大幅度的回落，抽采純量的穩(wěn)定性相對(duì)較低；有效抽采時(shí)間43 d，平均抽采純量為10.05 m3／min。

圖4 傾向高位巷瓦斯抽采量

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，可得出如下結(jié)論：扇形鉆孔控制區(qū)域超前，若將其布置在切眼處，可降低開采初期工作面及上隅角瓦斯超限的可能性；扇形鉆孔有效控制范圍大，有效抽采時(shí)間長(zhǎng)，約是傾向高位巷的1.5倍；扇形鉆孔的平均抽采純量高，約為傾向高位巷的1.22倍，總體抽采純量較為穩(wěn)定；扇形鉆孔減少了獨(dú)頭巷道的掘進(jìn)量，節(jié)省大量人力物力的同時(shí)，避免了安全事故的發(fā)生；鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)巷巷道內(nèi)，打鉆對(duì)巷道支護(hù)作業(yè)影響較小，可與巷道掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了大量的采前準(zhǔn)備時(shí)間。

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Contrast analysis of gas drainage effect for sectorial high-level borehole and inclined high-level roadway

Liu Yang1，Wu Shiyue1，Li Jinpeng2
（1.College of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi 030024，China；2.Huajin Coking Coal Co.，Ltd.，Lishi，Shanxi 033000，China）

In order to solve the problem of gas overrun，the trial of gas drainage in fissure zone was carried out through large-diameter boreholes instead of inclined high-level roadway at 24207 mining face in Shaqu Coal Mine.The drainage result showed that the large-diameter boreholes are good for the gas drainage.The average gas drainage amount for 5 boreholes in one drilling site is up to 12.20 m3／min，higher than the value of 10.05 m3／min via high-level roadway，and the effective control range is 1.4-2 times than that of high-level roadway.

large diameter borehole，inclined high-level roadway，gas drainage，Shaqu Coal Mine

TD712.6

A

劉洋 （1988-），男，河南商丘人，在讀碩士研究生，主要從事礦井瓦斯災(zāi)害防治方面的研究。

（責(zé)任編輯 張艷華）