高位定向鉆孔在采空區(qū)瓦斯治理中的應用

蘆海廣，朱鵬飛

(1.山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 通風處，山西 晉城 048006;2. 山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 成莊煤礦，山西 晉城 048006)

成莊煤礦位于晉城市西北20 km 處，跨澤州和沁水兩縣，隸屬于晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司。2005年核定生產能力為800 萬t/年，主采3#煤層，采煤工作面采用走向長壁綜采放頂煤和一次采全厚采煤方法。2014 年礦井絕對瓦斯涌出量達384.59 m3/min，其中風排瓦斯量122.71 m3/min，抽采量261.88 m3/min，屬高瓦斯礦井。成莊煤礦早期就曾試驗推廣MK 系列鉆機施工頂板走向高抽鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，但由于鉆孔軌跡不能按設計要求施工到位、鉆孔接替存在空白區(qū)域等問題，抽采效果一直很差。隨著開采技術的發(fā)展，產能的提升，采空區(qū)瓦斯治理技術亟待提高。特別是近幾年，定向鉆機抽采效果好、成孔效率高、軌跡精度高等技術優(yōu)勢已在本煤層抽采過程中得到充分體現(xiàn)，為此，成莊煤礦提出利用千米鉆機施工頂板高位定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術。

1 工作面概況

該礦5301 采煤工作面主采3#煤層，煤層厚度為6.6 m，采用綜合機械化放頂煤回采工藝，走向長度1 512 m，傾向長度194 m，采高為3.5 m，煤層傾角2° ～6°.老頂為細粒砂巖，厚度為3.0 m，直接頂為砂質泥巖，厚度為2.7 m，偽頂為泥巖，厚度為0.6 m.工作面采用“兩進兩回”型通風系統(tǒng)，回風巷風量為2 500 m3/min，瓦斯涌出量為10 ～15 m3/min，瓦斯涌出來源主要為本煤層和采空區(qū)，其中本煤層瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的40%，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%，回采過程中經常出現(xiàn)上隅角、回風巷瓦斯?jié)舛冗_到超限臨界值，嚴重影響工作面正常生產。

2 頂板高位定向鉆孔抽采技術原理

采場上覆巖層移動規(guī)律的理論分析表明，覆巖的移動破壞在豎直方向上通常劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶;在水平方向上形成3 個區(qū)，即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。煤層開采后上覆巖層運動形成豎向穿層破斷裂隙，其發(fā)育高度與開采煤層的采高及覆巖巖性有關，是開采煤層上鄰近層卸壓瓦斯運移及涌向回采空間的主要通道，也可稱為“導氣裂隙帶”。隨著工作面推進，采動裂隙趨于重新壓實，采空區(qū)四周則形成相互連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為采動裂隙“O”形圈，周圍煤巖體內的瓦斯解吸后通過滲流不斷地匯集到這一區(qū)域。

根據(jù)上述理論，頂板高位定向鉆孔布置在裂隙帶的“O”形圈內，是工作面采空區(qū)抽采的關鍵所在;瓦斯抽放效果的好壞，主要取決于鉆孔布置層位、距回風巷的距離及抽采量的大小。

3 頂板高位定向鉆孔設計

3.1 高位定向鉆孔剖面層位選擇

1)裂隙帶高度理論計算。

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層運動的“豎三帶”理論，鉆孔在剖面上布置在裂隙帶內，形成了卸壓瓦斯的流動通道，在該范圍內抽放瓦斯效果最好。根據(jù)以下裂隙帶高度經驗公式確定裂隙帶的層位:

式中:

H—裂隙帶高度，m;

M—采高，m.

5301 工作面3#煤層平均采高6.6 m，代入式(1)可得裂隙帶在煤層以上18.4 ～31.4 m.

2)采空區(qū)“三帶”數(shù)值模擬。

采用通用離散元程序UDEC 進行采場上覆巖層的“三帶”變化特征相似數(shù)值模擬試驗。

當工作面推進80 m 時，在煤層頂板鉛垂方法0 m以上處，布置400 個測點，觀測工作面推進時，煤層頂板的垮落情況，將數(shù)據(jù)從UDEC 中提取出來，在EXCEL中繪制成曲線，5301 工作面推進80 m 時頂板的鉛垂位移曲線見圖1.

圖1 工作面推進80 m 時頂板鉛垂位移曲線圖

在煤層頂板0 ～9.2 m 內，頂板的鉛垂位移量為5.51 ～5.72 m，各測點的巖層下沉量比較大，都在5.51 m 以上，表明這部分巖層已經垮落，此區(qū)域為不規(guī)則垮落帶。在煤層的9.2 ～17.2 m 內，頂板的鉛垂位移量為2.02 ～2.33 m，各測點的下沉量在2.02 m以上，巖層垮落，此區(qū)域為規(guī)則垮落帶。

在煤層頂板18 m 處的鉛垂位移為0.885 m，而煤層頂板17.2 m 處的鉛垂位移為2.02 m，對比距煤層頂板17.2 m 處的鉛垂位移，減少56.2%，表明煤層頂板18 m 處巖層已經斷裂下沉，但是沒有隨著17.2 m處的巖層一起垮落，所以，在煤層頂板17.2 ～60.1 m 內為裂隙帶。

在距煤層頂板61 m 處的鉛垂位移為0.179 m，而煤層頂板60.1 m 處的鉛垂位移為0.885 m，對比距煤層頂板60.1 m 處的鉛垂位移，減少79.7%，在頂板60.1 ～73 m 處的頂板鉛垂位移都在0.179 以下，鉛垂位移量趨于穩(wěn)定，該范圍內巖層之間下沉量相差很小，煤層頂板73 m 處的鉛垂位移為0.049 6 m，與煤層頂板70 m 處的鉛垂位移相比，減少72.3%，下沉量很小，巖層沒有斷裂，只有微小的彎曲下沉。

由以上分析可知:5301 工作面采空區(qū)上覆巖層“三帶”的分布為:垮落帶高度17.2 m，裂隙帶高度17.2 ～60.1 m，彎曲下沉帶高度60.1 m 以上。

根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬的結果，考慮到巖層定向鉆進鉆具安全以及定向鉆具造斜能力，此次試驗將高位定向鉆孔布置在距煤層以上30 ～60 m 的頂板中。

3.2 高位定向鉆孔平面位置確定

根據(jù)采動裂隙場“O”形圈分布理論，隨著采煤工作面的推進，采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實，而采空區(qū)四周存在一個離層裂隙發(fā)育的“O”形圈，其周邊寬度為34 m 左右，根據(jù)礦井實際情況鉆孔布置在距回風巷20 ～50 m.

3.3 高位定向鉆孔數(shù)量確定

根據(jù)上覆巖層采動裂隙分布的“O”形圈特征及成莊煤礦通風工作面通風特點，將試驗高位定向鉆孔鉆場設于53012 巷，每個鉆場設計高位鉆孔3 個。

3.4 高位定向鉆孔孔徑確定

高位巖層鉆孔進行瓦斯抽采時，瓦斯只從靠近孔底孔段開采擾動產生的裂隙通道供給。因此，定向高位鉆孔可被看作是一條瓦斯抽采管道。

在相同抽采負壓和鉆孔深度條件下，隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔抽采能力也會大幅度提高。以長度400 m 孔徑分別為94 mm 和145 mm 的鉆孔為例，抽采負壓為15 ～25 kPa 條件下，孔徑145 mm 的高位定向鉆孔瓦斯抽采流量達到孔徑94 mm 高位定向鉆孔的2 倍以上。為了達到良好的瓦斯治理效果，應盡量增大鉆孔直徑。

結合孔內鉆具安全以及瓦斯抽采需要，試驗先采用隨鉆測量定向鉆進施工先導孔，鉆孔直徑94 mm;再更換常規(guī)鉆具和擴孔鉆頭進行擴孔，將鉆孔直徑擴大至145 mm.

4 現(xiàn)場應用及效果分析

4.1 鉆孔施工情況

2015 年3—6 月，5301 工作面分別在17#、11#和6#聯(lián)絡巷口共施工了9 個高位定向鉆孔，鉆孔均達到設計深度。為了提高鉆孔抽采量，部分鉆孔開了2 個分支，最大孔深達到426 m，總進尺4 011 m，鉆孔孔徑均擴大至145 mm，鉆孔主要抽采孔段均位于設計的煤層頂板以上30 ～60 m，見圖2，3.

圖2 5301 面高位定向鉆孔實際剖面軌跡圖

圖3 5301 面高位定向鉆孔實際平面軌跡圖

4.2 效果分析

1)高位鉆孔瓦斯抽采效果。

隨著工作面逐步回采，根據(jù)每個鉆孔瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量、瓦斯純?以下簡稱濃度、流量、純量)的變化情況，對相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。11#聯(lián)絡巷3 個高位鉆孔瓦斯抽采濃度、流量和純量隨工作面推過鉆孔進度的變化情況見圖4，5，6.

圖4 4#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

圖5 5#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

圖6 6#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

由圖4 ～6 可知，工作面推進過鉆孔孔底50 m 左右時頂板垮塌形成裂隙，開始有流量，濃度達到75%左右，隨著工作面逐步推進，流量增加到8 m3/min，且濃度保持在 40% 左右，可抽瓦斯的純量為3.2 m3/min，且能保持約200 m 的推進度，這是平行工作面走向頂板孔的最大優(yōu)勢，鉆孔的服務時間長;后期頂板垮落穩(wěn)定，鉆孔流量降至2 m3/min 左右，濃度降至30%左右，相應的純量降至0.6 m3/min 左右，此后作為普通低位鉆孔進行抽采。

2)采空區(qū)瓦斯治理效果。

為了驗證高位鉆孔抽采對工作面瓦斯治理的效果，比較工作面回采期間平均瓦斯涌出量在高位鉆孔抽采前后的變化，工作面平均瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量的關系圖見圖7.

圖7 工作面平均瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量的關系圖

由圖7 可知，高位鉆孔投運后工作面平均瓦斯涌出量逐步下降，當采空區(qū)高位鉆孔抽采量提升時，工作面絕對瓦斯涌出量對應的降低，由最初的17 m3/min左右降低至11 m3/min 左右，下降幅度達35%，起到了治理采空區(qū)瓦斯的作用。

5 結 論

通過上述試驗數(shù)據(jù)分析，針對高位定向鉆孔在頂板瓦斯治理中的應用得出如下結論:

1)成莊煤礦采用“U 并U”型通風方式和高位定向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯相結合的施工技術，改變了采空區(qū)瓦斯流向，減少了采空區(qū)涌入巷道的瓦斯量，降低了工作面絕對瓦斯涌出量。

2)在成莊煤礦高瓦斯礦井，通過高位定向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯，有效緩解了工作面回采過程中風排瓦斯量大的突出矛盾，降低了工作面巷道瓦斯?jié)舛?，為安全生產提供了保障。

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