走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯試驗研究

吳衛(wèi)兵

（沁和能源集團有限公司安監(jiān)部，山西 晉城 048204）

針對沁和能源集團永安煤礦215工作面走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯進行試驗研究，并考察抽放效果。

1 高位鉆孔布置

在永安煤礦215工作面布置2組走向高位鉆孔，如圖1所示。從圖中可知，1號鉆場布置4個鉆孔，孔徑153mm，長度450m，1號～4號鉆孔終孔水平投影點距回風順槽的距離為75m、62m、33m和10m。2號鉆場5個鉆孔，孔長為300 m，1號～5號鉆孔終孔位置分別位于煤層上方35m、40m、45m、88m和88m的巖層中，終孔點距離回風巷分別為15m、25m、35m、45m和55m。

2 鉆孔施工分析

試驗中鉆機選用ZDY6000LD（F）定向鉆機，最大給進起拔壓力180kN；鉆桿使用Ф89mm外平高強鉆桿；選用清水為循環(huán)介質(zhì)，BW-320型泥漿泵提供的高壓水來進行巖粉的排除；采用 ATTCQ-1型單點式磁球定向測斜儀測量鉆孔傾角及方位角。

采用普通回轉(zhuǎn)全面鉆進法和多次成孔工藝進行鉆孔施工作業(yè)，這樣容易使鉆孔沿預(yù)設(shè)軌跡進行延伸，在成孔之后，換用大一級的擴孔鉆頭進行擴孔。兩個月的時間內(nèi)在215綜放工作面的1號鉆場和2號鉆場共計施工完成9個鉆孔。

圖1 管道走向高位鉆孔布置圖及參數(shù)表

3 走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯效果及分析

3.1 1號鉆場走向高位鉆孔瓦斯抽放濃度

215綜放工作面從2015年10月開始回采，于2016年2月底工作面推過高位鉆孔。圖2為1號鉆場1號～4號高位鉆孔瓦斯抽放濃度與工作面推進距離關(guān)系曲線。

圖2 1號高位鉆場鉆孔瓦斯抽放濃度變化曲線

（1）當工作面推過鉆孔25m左右時，1號鉆孔與2號鉆孔抽放瓦斯?jié)舛乳_始上升，推過50m處濃度分別達到最大值35%和23%，然后抽放瓦斯?jié)舛戎饾u下降，在工作面推過鉆孔終孔點100m處分別降至1.5%和2%，隨著工作面的繼續(xù)推進，濃度基本保持不變，推過250m后又略微有所回升。

1號鉆場走向高位鉆孔控制區(qū)煤層厚度為5.3～7.0m，按最大厚度7.0m考慮，利用213、214綜放工作面所測冒落帶高度為4～4.76倍采高計算，1號鉆場走向高位鉆孔控制區(qū)的采空區(qū)冒落帶高度約為28～33.3m。由此可知，從終孔層位來看，當老頂?shù)谝淮慰迓淝埃S著采空區(qū)面積的擴大，尚未垮落的上覆巖層會產(chǎn)生彎曲離層裂隙，巖層中的游離瓦斯會通過離層裂隙進入抽放鉆孔。與此相對應(yīng)，1號鉆孔與2號鉆孔可以抽到瓦斯，抽放瓦斯?jié)舛葧饾u上升。當工作面老頂初次垮落后，1號、2號鉆孔會隨著采空區(qū)冒落帶的產(chǎn)生而切孔，抽放瓦斯?jié)舛葧眲∠陆?。隨著采空區(qū)丟煤量的繼續(xù)增加，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛葧谝欢ǔ潭壬显黾?，鉆孔抽出的瓦斯?jié)舛纫矔兴仙?，但上升的幅度不會很大?/p>

（2）由于回風順槽側(cè)有40m左右的巷間保護煤柱，使得靠近回風順槽采空區(qū)一側(cè)的頂板不能及時垮塌而形成冒落帶。因此，離回風順槽水平距離只有33m和10m的3號、4號鉆孔在工作面采過100m仍不能有效卸壓，所以它們抽出的瓦斯?jié)舛群艿汀?號、4號鉆孔抽放瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅嫱七^鉆孔終孔點100m左右才開始緩慢增加，采過130～140m后，瓦斯?jié)舛燃眲≡黾硬⒍啻纬霈F(xiàn)濃度波動，但濃度始終保持在較高的水平。采過200m后，抽出瓦斯?jié)舛戎鸩较陆怠?/p>

工作面采過鉆孔終孔點100m后，由于采空區(qū)面積的不斷擴大和采空區(qū)中部冒落帶面積擴張，轉(zhuǎn)移到回風順槽的礦山壓力不斷增加，當?shù)V山壓力接近或達到煤柱的極限支撐強度時，煤柱在流變和壓裂過程中會產(chǎn)生大量的裂隙，所以3號、4號鉆孔抽出的瓦斯?jié)舛燃眲≡黾印?/p>

工作面采過鉆孔終孔點220m后，采場礦山壓力超過回風順槽側(cè)保護煤柱的極限支撐強度時，回風順槽靠采空區(qū)一側(cè)的上覆巖層失穩(wěn)破壞而冒落，3號、4號鉆孔隨之切孔，抽出瓦斯?jié)舛燃眲〗档?，最終與采空區(qū)瓦斯?jié)舛缺３謩討B(tài)平衡。但由于此時的采空區(qū)內(nèi)積存的瓦斯已達到較高的濃度，因此3號、4號鉆孔抽出的瓦斯?jié)舛热匀槐韧?號、2號鉆孔抽出瓦斯?jié)舛雀咭恍?/p>

（3）從3號、4號鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓梢酝茢?15綜放工作面老頂初次來壓距離約為50m左右，與實際礦壓觀測結(jié)果相吻合。

（4）1號～4號鉆孔的瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律間接地說明215綜放工作面1號鉆場高位鉆孔控制區(qū)內(nèi)采空區(qū)冒落帶高度至少在28m以上。

3.2 2號鉆場走向高位鉆孔瓦斯抽放濃度

從圖3可知，215綜放工作面推過2號鉆場高位鉆孔終孔點21m后，開始抽出瓦斯，但瓦斯?jié)舛炔坏?%，直到采過終孔點54m，瓦斯?jié)舛热詻]有超過4%。由于抽出瓦斯?jié)舛冗^低，為保證礦井瓦斯利用濃度的需要，一度暫停高位鉆孔瓦斯抽放。當工作面推過鉆孔終孔點99m后，又恢復(fù)對高位鉆孔瓦斯抽放，剛恢復(fù)時，瓦斯?jié)舛冗_到15.27%，但迅速下降到3.87%，之后，瓦斯?jié)舛纫恢痹?%左右徘徊。

圖3 2號高位鉆場鉆孔瓦斯抽放濃度變化曲線（綜合）

3.3 走向高位鉆孔瓦斯量

對215綜放工作面的走向高位鉆孔實測瓦斯抽放量進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，該工作面鉆場走向高位鉆孔瓦斯?jié)舛群统榉帕慷疾桓?。總體來看，在215綜放工作面所進行的2個鉆場的走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯試驗效果不理想。

3.4 走向高位鉆孔瓦斯抽放效果欠佳原因分析

（1）終孔層位偏低導(dǎo)致1號鉆場抽放效果不佳。1號鉆場鉆孔終孔距離煤層頂板28m，處于采空區(qū)冒落帶中，瓦斯抽放實測數(shù)據(jù)具有混合抽放量大、抽出瓦斯?jié)舛鹊?、有效抽放距離短的特征。

（2）放煤不充分導(dǎo)致2號鉆場抽放效果不佳。

① 可以排除走向高位鉆孔抽放管路漏氣或封孔不嚴的因素。2016年9月6日，在工作面距離高位鉆場只剩100m時，有意識地關(guān)閉和2號鉆場走向高位鉆孔并聯(lián)抽放采空區(qū)的穿層鉆孔瓦斯抽放管道。此時，抽放負壓為3.1kPa，但抽放系統(tǒng)瓦斯抽放純量迅速由原來的5.95m3/min下降到0.11～0.23m3/min，瓦斯?jié)舛纫仓挥?.5%左右，說明走向高位鉆孔不存在抽放管路漏氣或封孔不嚴的問題。

表1 走向高位鉆孔瓦斯抽放統(tǒng)計表

② 215綜放工作面煤層厚度自東向西逐漸增厚，在鉆孔控制區(qū)范圍已達8～11m（圖4），按照213、214綜放工作面實測冒落帶高度與采出煤厚的倍數(shù)關(guān)系、215綜放工作面煤層厚度和理論回采率80%計算，試驗考察區(qū)內(nèi)冒落帶高度應(yīng)該在28.8～42m之間。2號鉆場各鉆孔開孔位置距煤層頂板30m，設(shè)計1號～5號高位走向鉆孔終孔分別在煤層上方35m、40m、45m、88m和88m的巖層中，實施抽放時鉆孔的瓦斯流量和瓦斯?jié)舛任丛龃蟆?/p>

③ 放煤不充分和工作面回收率低是導(dǎo)致2號鉆場走向高位鉆孔抽放效果差的根源。該工作面于2016年6月進入2號鉆場走向高位鉆孔控制區(qū)，煤厚逐漸加大，頂煤回收率和工作面回采率降低；同時因為在回風順槽20m的煤層上部布置了高位排瓦斯巷，導(dǎo)致高位鉆孔不能卸壓進入裂隙帶。

圖4 2號鉆場控制區(qū)域煤厚變化曲線

4 走向高位鉆孔應(yīng)用前景

針對沁和能源集團永安煤礦215綜放工作面進行了走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯的試驗研究。從本次高位鉆孔抽放試驗情況看，要提高高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯效果，應(yīng)把握好鉆孔設(shè)計與巷道布置、煤厚變化以及工作面回采率的關(guān)系，尤其是準確把握采空區(qū)冒落帶高度與鉆孔孔位的關(guān)系，走向高位鉆孔抽放瓦斯可以成為一種更加有效的采空區(qū)瓦斯抽采方式。