頂板高位鉆孔抽放瓦斯參數優(yōu)化及應用

王雪瑞

（山西潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

漳村煤礦委托煤炭科學研究總院沈陽研究院于2015 年對該礦3#煤層2306 回采工作面的瓦斯涌出進行分析，分析數據得出采空區(qū)瓦斯涌出量占比49.3%的結論。鑒于采空區(qū)瓦斯涌出占比較高，分析認為該工作面不能進行簡單的風排方式解決瓦斯涌出問題，而是必須采用鉆孔抽放瓦斯，來實現對瓦斯涌出的控制。結合現場實際生產條件，研究制定了頂板高位鉆孔抽放裂隙帶瓦斯的工作方案，對瓦斯進行抽放，保障2306 工作面安全生產。

1 2306 鉆孔布置及優(yōu)化基礎參數的確定

2306 工作面位于23 采區(qū)的南部，工作面走向長度172.5m，傾向長度1503m，停采線距23 皮帶巷中70m，可采長度 1433m，煤層平均厚度為6.24m，平均單軸抗壓強度為9.6MPa。煤層之上為灰黑色泥巖，厚度4.2m，單向抗壓強度為13.71MPa；之上為砂質泥巖，厚度6.39m。 采煤方法為傾斜長壁后退式低位放頂煤一次采全高綜合機械化采煤方法，頂板管理為全部垮落法。

為考察高位鉆孔的最優(yōu)參數，在工作面布置不同參數鉆孔三組，每組8 個鉆孔，鉆孔呈扇形分布。鉆孔終孔位置水平投影距工作面風巷距離最遠為70m，三組鉆孔分別為6 倍、8 倍、10 倍采高。

高位鉆孔瓦斯抽采過程劃分為始抽段、高濃度段和衰減段三個階段。通過分析瓦斯抽采歷程中始抽階段、高體積分數階段和衰減階段的參數變化曲線及趨勢，確定橫三區(qū)、豎三帶中冒落帶、裂隙帶的高度以及離層區(qū)的寬度，依據分析結果對高位抽采鉆孔的設計參數進行合理的優(yōu)化。

通過對第一組高位鉆孔法距與抽采瓦斯?jié)舛茸兓€圖（圖1、圖2）進行分析，得出：（1）高位鉆孔高度與煤層垂直法距在22～24m 時，鉆孔的瓦斯抽采濃度最大，此時瓦斯抽采濃度為15%左右；（2）鉆孔高度在17～27m 之間時，鉆孔的瓦斯抽采濃度均＞5%，單孔抽采純流量均＞0.13m3/min，抽采效果較為理想。

圖1 第一組高位鉆孔法距與抽采瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖2 第一組高位鉆孔高度與煤層垂直法距與抽采量變化曲線圖

通過記錄鉆孔抽采過程中的瓦斯抽采濃度和抽采純流量變化情況，確定了不同鉆孔位置對應的“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)，如表1 所示。從表1 可以看出，冒落帶高度為12～16m、裂隙帶高度為12～32m 時，離層區(qū)寬度為2～58m。這些數據為高位鉆孔布置參數的優(yōu)化奠定了堅實的數據基礎。

2 高位鉆孔布置參數優(yōu)化

在確定冒落帶、裂隙帶的高度以及離層區(qū)的寬度時，是建立在采空區(qū)上覆圍巖在工作面放煤后立即垮落的基礎上的，鉆孔進入采空區(qū)部分全部垮塌，即以工作面上方鉆孔為實際抽采過程中鉆孔的終孔點。通過考察鉆孔抽采過程中瓦斯?jié)舛群统椴杉兞侩S距煤層頂板法距和鉆孔水平投影距回風巷順槽平距的變化曲線來確定“兩帶”高度和離層區(qū)寬度，并依據工作面實際生產情況來看，裂隙帶是滯后于工作面的，該滯后距離與工作面回采推進速度的快慢有著密切的關系。工作面回采推進速度快則滯后距離較長，工作面回采推進速度慢則滯后距離較短，需要結合生產現場實際綜合考慮裂隙帶滯后回采工作面距離。因此，鉆孔參數設置優(yōu)化為：在回風巷內頂板向采空區(qū)冒落拱上方裂隙帶內布置8 個扇形高位鉆孔，孔間距為30m。根據鉆孔角度和長度折算鉆孔終孔點距回風順槽的最遠距離約為60m，鉆孔終孔點與煤層頂板上部頂板的距離約為45m。

優(yōu)化后高位鉆孔布置參數如表2 和圖3 所示。

表1 各鉆孔對應“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)

表2 優(yōu)化后高位鉆孔參數

圖3 高位鉆孔布置示意圖布置平面圖

3 優(yōu)化后抽放效果分析

（1）鉆孔有效抽放長度提高。該礦原鉆孔有效抽放長度為鉆孔的24.12%，改為高位鉆孔布置后，鉆孔有效抽采長度提高到68.4%，有效抽放長度明顯增加。

（2）抽放瓦斯量增加。高位鉆孔布置方案優(yōu)化后，抽采瓦斯總量增加3～7 倍，增加的鉆孔量僅為原有鉆孔的0.73 倍，效益顯著。

（3）高位鉆孔布置參數優(yōu)化能夠在投入增加不多的前提下，實現工作面瓦斯涌出量的大幅度降低，能夠有效地降低工作面瓦斯超限的危險，為工作面的安全開采提供了保障，工作面的正?；夭煽蓜?chuàng)造可觀的經濟效益。

4 高位鉆孔布置需要注意的問題

通過試驗表明，利用高位鉆孔抽采瓦斯過程中需注意以下幾點：

（1）優(yōu)化后的鉆孔參數是按照煤層傾角2.4° 計算得出的，建議在今后的施工過程中，根據煤層賦存變化的實際，按照本文所提出的設計原則進行高位鉆孔布置參數設計。

（2）鉆孔成孔后立即埋設聚乙烯管并封孔，使用水泥封孔工藝，保證封孔質量，確保鉆孔不漏氣。

（3）根據工作面回采進度，適時并網抽采高位裂隙帶鉆孔瓦斯，同時根據實際情況適時對裂隙帶高位鉆孔的施工參數進行優(yōu)化，以達到最佳抽采效果。

5 結論

漳村煤礦回采工作面瓦斯涌出量大，原設計高位鉆孔抽采瓦斯效果不理想，為此需要對原高位鉆孔布置方案進行研究，分析瓦斯抽采的最優(yōu)匯集區(qū)域，并在2306 工作面回風巷設計了三組不同布置參數的考察鉆孔進行抽采試驗，得出以下主要結論：

（1） 根據2306 工作面的開采技術條件，設計出了三組不同布置參數的高位鉆孔，根據鉆孔抽采期間瓦斯?jié)舛群统椴闪髁康淖兓?，確定出了不同鉆孔位置的“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)：裂隙帶高度為距煤層底板8～31m，離層區(qū)距回風巷的寬度2～58m。

（2）通過對不同高位鉆孔的抽采考察，對高位裂隙帶鉆孔施工參數進行了優(yōu)化：在回風順槽布置的鉆場內，向采空區(qū)冒落拱上方的裂隙帶內布置8 個高位裂隙帶鉆孔，鉆孔扇形布置，鉆孔孔底距回風巷內幫的最遠距離約為60m，鉆孔孔底與煤層頂板距離約為45m。

（3）對同一個工作面而言，高位鉆孔布置參數優(yōu)化后，在僅增加73%的鉆孔工程量的情況下，抽采瓦斯總量就能夠增加3～7 倍，將更有效地降低工作面的風排瓦斯涌出量。

（4）漳村煤礦頂板高位鉆孔抽放在瓦斯治理中的參數優(yōu)化和應用，取得了明顯經濟效益和技術效果。