高位鉆孔瓦斯抽采技術在太岳煤礦的研究與應用

文 / 郝明輝 楊 杰

山東能源棗礦集團太岳煤礦位于山西省長治市，礦井所開采的2號煤層為中厚煤層，其上下鄰近層間距較小，工作面回采期間瓦斯治理難度較大。為此，提出了高位鉆孔瓦斯抽采技術，通過現場測定及理論分析，確定了礦井采空區(qū)冒落帶的高度，并據此對高位鉆孔合理布孔參數進行了優(yōu)化，實現了近距離鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采，確保了礦井安全、高效開采。

一、礦井概況

太岳煤礦批準開采井田內1號、2號煤層，井田面積37.414km2，礦井設計生產能力1.5Mt/a，核定生產能力為2.10Mt/a。礦井采用立井-斜井開拓方式開拓。工作面采用綜合機械化一次采全高的采煤方法。太岳煤礦為高瓦斯礦井，采用中央并列式通風方式，通風方法為機械抽出式。

井田范圍內1號煤層厚0～1.23m，平均0.57m，煤質為焦煤或瘦煤，賦存不穩(wěn)定，不具備開采條件。目前僅開采二疊系下統(tǒng)山西組下部2號煤層，2號煤層位于1號煤層下部，距1號煤層8.34～22.92m，平均16.88m。2號煤層厚度1.71～3.00m，平均厚度為2.2m，煤層傾角2°～13°，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其煤質為焦煤或瘦煤；該煤層結構較簡單，僅局部夾1～3層泥巖或炭質泥巖夾矸，夾矸厚度0.04～0.24m，平均0.13m。

目前采深條件下，2號煤層瓦斯含量為4.5m3/t～7.8m3/t。由于1號煤層與2號煤層成煤地質史一致，因此可以推測1號煤層具有較為一致的瓦斯賦存規(guī)律。由于層間距非常近，在2號煤層開采過程中，受卸壓效應的影響，1號煤層卸壓瓦斯將大量涌入2號煤層采掘空間，使得工作面回風流瓦斯?jié)舛绕?、上隅角瓦斯超限等問題頻發(fā)，為2號煤層安全、高效開采帶來極大的挑戰(zhàn)，因此，必須對1號煤層瓦斯進行有效治理。

二、高位鉆孔瓦斯抽采技術研究

基于太岳煤礦1、2號煤層層間距較近的實際情況，結合礦井瓦斯治理水平，決定采用高位鉆孔瓦斯抽采技術對1號煤層進行高效瓦斯抽采。但高位鉆孔終孔位置距2號煤層的垂高、內錯工作面的距離等參數對瓦斯抽采效果極為重要，需進行細致的研究，從而實現抽采效果最優(yōu)。

1. 冒落帶高度的確定

在工作面退采過后，采空區(qū)范圍內會形成高度不等的“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中，冒落帶為煤層上方巖體垮落形成的松散巖體帶，直接與工作面空間溝通，透氣性極好；裂隙帶位于冒落帶上方，由于冒落帶巖體碎脹特性使裂隙帶巖體得到有效的支撐未能冒落，但形成了大量相互溝通的裂隙，是層間瓦斯流動的主要通道；彎曲下沉帶是由于關鍵層的控制、裂隙帶的支撐等發(fā)生卸壓但未斷裂的巖層帶，裂隙不發(fā)育。

高位鉆孔要實現鄰近層瓦斯高效抽采，其鉆孔終孔位置必須位于冒落帶以上、彎曲下沉帶范圍內。若高位鉆孔位于冒落帶之內，鉆孔將與冒落帶裂隙直接連通，在抽采負壓作用下大量空氣進入鉆孔，無法實現鄰近層瓦斯高效抽采。因此，必須結合太岳煤礦的實際情況對其冒落帶高度進行確定。在對太岳煤礦2號煤層冒落帶高度進行確定時，采用現場測定與經驗分析相結合的方法進行。

（1）現場測定。根據太岳煤礦工作面布置情況，采用“返液計量法”對冒落帶高度進行了現場測定。

具體測定方法為：在工作面回風巷向切眼斜后方施工不同傾角的鉆孔，鉆孔施工為濕式鉆進。若鉆孔穿過冒落帶或終孔點位于冒落帶內，則鉆孔內大量鉆液將直接流入冒落帶內，造成鉆孔返漿很少或不返漿；若鉆孔位于裂隙帶內，則鉆孔返漿有所減少，但減少量并不大；若鉆孔返漿未減少，則說明鉆液終孔位置沒有大量裂隙，則可判斷該位置為彎曲下沉帶。這種方法稱之為“返液計量法”冒落帶現場測定方法。

采用這種方法，對太岳煤礦2號煤層采后的冒落帶進行了現場測定，確立了其冒落帶高度約為7.5～12.4m左右。

（2）經驗分析。借鑒國內外對“三帶”高度的相關研究成果可知，一般情況下，冒落帶為采高的3～6倍不等。根據太岳煤礦頂板的巖性及巖性組合特性，結合我國在相關領域的研究成果，根據經驗可以確定太岳煤礦冒落帶高度約為6.6～13.2m左右。

從以上研究成果可以看出，太岳煤礦2號煤層冒落帶的現場測定和經驗分析數據總體非常接近。因此，確定冒落帶的高度為12.4m。

2. 高位鉆孔布孔參數研究

為了高效抽采鄰近層及采空區(qū)瓦斯，高位鉆孔終孔位置需位于裂隙帶的中上部，并內錯工作面一定距離，實現對鄰近層涌出瓦斯的有效攔截和采空區(qū)瓦斯的高效抽采。為此，需要對高位鉆孔垂向高度、內錯距離等合理布置參數進行研究。

（1）合理垂向高度的確定。通過確定裂隙帶高度范圍，確定了高位鉆孔垂向合理高度。根據經驗公式，煤層頂板不同巖性及巖性組合條件下，裂隙帶高度為：

其中：H裂——裂隙帶高度，m；

N——系數，堅硬巖層n=30，中硬巖層n=20，較軟巖層n=10；

M——開采層采高。

結合太岳煤礦1、2號煤層間的巖性組合較軟的特性，可以根據經驗公式估算裂隙帶的高度約為17.5～25m左右，因此，確定高位鉆孔終孔位置的合理垂高為17.5～25m左右。

（2）合理內錯距離的確定。由于CH4的密度比空氣小，采空區(qū)及鄰近層涌出的瓦斯在瓦斯上浮效應及抽采負壓的綜合作用下，會涌向采空區(qū)上部、回風巷及工作面上隅角。為有效攔截鄰近層瓦斯及采空區(qū)瓦斯，防止大量瓦斯涌向回風巷和工作面上隅角，需將高位鉆孔內錯回風巷一定距離，實現對鄰近層及采空區(qū)涌出瓦斯的高效抽采。

太岳煤礦2號煤層工作面長度一般為200m左右，根據采空區(qū)巖石冒落特性及工作面長度，借鑒我國高位鉆孔瓦斯抽采的相關理論研究成果，結合冒落帶高度現場測定數據，確定將高位鉆孔內錯距離控制在距回風巷50m范圍內，可實現高位鉆孔的高效瓦斯抽采。

3. 高位鉆孔合理封孔技術研究

受地質構造及卸壓作用影響，煤層頂板巖層會發(fā)生不同程度的破壞，造成大量裂隙的生成和發(fā)育，導致封孔難度增大，從而造成鉆孔漏氣，使得瓦斯抽采效果大打折扣。因此，必須針對太岳煤礦的巖層條件提出有針對性的封孔技術。

按照煤巖體蠕變效應，要想達到理想的封孔效果，封孔位置應避開巷道松動圈范圍，進入原巖應力區(qū)。因此，在現場實施過程中，封孔深度由原來的孔口開始封孔、封孔深度8m改為自孔口向里6m開始封孔、封孔深度6m，從而使始封深度進入原巖應力區(qū)，封孔效果得到大幅提高。為了避免聚氨酯封孔抗壓效果差易漏氣、水泥砂漿封孔存在封孔“水縫”的弊端，封孔工藝由原來聚氨酯封孔改為“兩堵一注”封孔，縮短了封孔長度，在一定程度上降低了封孔費用，并大幅提高了封孔效果，有效提高了抽采效果。

三、高鉆孔瓦斯抽采技術應用及效果

1. 現場應用

根據以上理論研究成果，在太岳煤礦2204工作面進行了高位鉆孔瓦斯抽采技術現場應用。鉆場開設在2204工作面回風順槽，高位鉆場每隔30～40m布置一個鉆場，每個鉆場布置10～12個鉆孔，每個鉆場分高低位布置2小組，小組間距15～20m，下一組鉆場在前一組鉆場1號鉆孔后30～40m位置施工。高位鉆孔設計如圖1所示，鉆孔參數如表1所示。

圖1 2204回風巷高位鉆孔布置圖

表1 2204回風巷高位鉆孔施工參數

2. 效果考察

對比鄰近層高位鉆孔抽采期間及停抽期間（鉆孔停抽在制定現場安全技術措施后執(zhí)行）工作面、回風隅角、回風流等地點瓦斯?jié)舛?，停抽?0分鐘觀測，數據變化明顯，充分證明鄰近層抽放達到了預期效果。2204工作面抽采前后瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表2所示。

表2 2204工作面實施高位鉆孔抽采前后瓦斯?jié)舛葘Ρ缺?/p>

從表2可以看出，通過實施高位鉆孔瓦斯抽采技術，對瓦斯抽采效率大幅提高，有效解決了工作面回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕?、甚至超限的問題，達到了對鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的，確保了工作面的安全高效開采。

四、結論

通過在太岳煤礦實施高位鉆孔瓦斯抽采技術研究，取得以下結論：

1.采用現場實測與理論分析相結合的方法，確定了冒落帶的高度為12.4m左右，并由此確定了高位鉆孔的合理終孔位置等布孔參數，即高位鉆孔合理垂向高度為17.5～25m左右，合理內錯距離為50m左右，從而減少了鉆孔施工的盲目性，提高了鉆孔利用率。

2.確立的適用于太岳煤礦的封孔工藝為“兩堵一注”，重新確定了封孔深度和封孔長度，有效減少了封孔長度，降低了封孔費用，提升了封孔水平和瓦斯抽采效果。

3.將研究確定的高位鉆孔合理布孔參數應用于現場，在太岳煤礦2204工作面對瓦斯抽采效果進行了考察。通過考察發(fā)現，高位鉆孔的應用，有效解決了工作面回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕摺⑸踔脸薜膯栴}，達到了對鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的，確保了工作面的安全高效開采。