39021采面高位鉆孔抽采規(guī)律及布置層位研究

易書鋼，谷 峰，趙慶紅

（1.河南焦煤能源有限公司科學技術研究所，河南 焦作454150；2.河南焦煤能源有限公司中馬村煤礦，河南 焦作454350）

煤與瓦斯突出礦井綜采工作面瓦斯涌出主要形式為采空區(qū)瓦斯涌出，低透氣性煤層瓦斯抽采難度大、抽采效果差，采空區(qū)瓦斯涌出問題凸顯[1]。為了解決上述問題，近年來，焦作礦區(qū)九里山礦、古漢山礦、中馬村礦等礦井進行了高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術的研究和應用，取得了一定效果，但存在部分鉆孔抽采濃度低、抽采流量小、孔口漏氣等問題。為解決上述問題，在中馬村礦39021工作面進行了高位鉆孔抽采規(guī)律及合理層位考察研究，前期初步考察高位鉆孔終孔位置距煤層頂板12～15 m（4～5倍采高）、距回風巷距離20 m附近，抽采效果好[2]，但是由于考察時間短、數(shù)據(jù)量少還需進一步研究考證。

1 采空區(qū)高位抽采相關理論

采煤工作面回采期間，上覆巖層會出現(xiàn)原有應力平衡的打破、應力重分配、應力再平衡過程。在此期間，巖層會發(fā)生移動和破壞，并在豎直方向上形成“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶見圖1，對合理確定高位鉆孔抽采區(qū)域具有非常重要的作用[3]。

冒落帶位于豎三帶的最下部，由于上覆巖層的自重和載荷應力作用，會出現(xiàn)巖層斷裂、破碎和巖石冒落采空區(qū)等現(xiàn)象?；夭晒ぷ髅嫦蚯巴七M時，采空區(qū)后方的冒落巖石將逐漸被壓實。冒落帶中下部的連通性和透氣性最佳，一般不容易積存瓦斯，瓦斯?jié)舛容^低[4]。

裂隙帶位于冒落帶上部，巖層維持了原有巖層的層狀結構。依據(jù)裂隙帶中裂縫和連通性情況，裂隙帶分為嚴重斷裂帶、一般斷裂帶、微小斷裂帶，嚴重斷裂帶和一般斷裂帶位于裂隙帶中下部，連通性和透氣性較好，該范圍易積存高濃度瓦斯[5]。

彎曲下沉帶范圍為裂隙帶上部至地表，巖層完整性較好和保留層狀結構，總體不變形或者較小的彎曲變形。裂縫、離層現(xiàn)象較少，瓦斯一般不會在該范圍內積存[6]。

圖1 覆巖破壞豎“三帶”

2 高位鉆孔抽采瓦斯工程實踐

2.1 工程概況

中馬村煤礦為煤與瓦斯突出礦井。39021工作面位于39采區(qū)西翼上部，北為3900工作面（未采），南鄰3904工作面（已回采結束），東到39皮帶下山保護煤柱，西至39采區(qū)邊界。采用走向長壁綜合機械化采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)，“U”型通風?？刹勺呦蜷L約710m，傾斜寬101.5～126m，煤厚3.5～10.8m，煤層傾角4°～24°，可采儲量0.64 Mt。工作面內發(fā)育39#～36#（H=0～6 m∠60°）斷層、39#～55#（H=1.5 m∠65°）和39#～56#（H=0.7 m∠58°）三條斷層，地質條件較復雜，頂?shù)装鍘r性見表1。原煤瓦斯含量為15.42～19.37m3/t，原始瓦斯壓力1.3MPa；煤層吸附常數(shù)a=44.5826m3/t，b=0.9738MPa-1，孔隙率為7.4%，工作面采用底抽巷預抽工作面瓦斯的區(qū)域防突措施，區(qū)域措施效果檢驗殘余瓦斯含量2.95～5.96m3/t、殘余瓦斯壓力0.1MPa，區(qū)域驗證采用鉆屑指標法q＜3.8 L/min、△h2＜117.6 Pa、S＜3.5kg/m，均小于臨界值。

表1 39021工作面煤層頂?shù)装鍘r性

2.2 高位鉆孔合理層位及相關參數(shù)

冒落帶頂部和裂隙帶中下部瓦斯一般濃度較高，采空區(qū)高位抽采鉆孔布置一般優(yōu)先考慮這一層位。

（1）合理布孔層位

中馬村礦煤層頂板的直接頂為砂巖，質硬、性脆，裂隙發(fā)育，老頂為粉砂巖，老頂和直接頂?shù)暮穸却笥?0 m。依據(jù)采動裂隙帶理論，采煤工作面采高為3.0m時，按中硬巖性經(jīng)驗公式計算得冒落帶高度為6.8～11.2 m。裂隙帶高度為30.1～41.3 m。彎曲下沉帶為裂隙帶以上區(qū)域[7]。

依據(jù)39011工作面（已回采結束）高位鉆孔抽采效果考察結果：當高位鉆孔終孔位置距煤層頂12～15 m（4～5倍采高）時，瓦斯抽采流量大、抽采濃度高。鉆孔終孔位置布置在距回風巷距離20 m附近，頂板垮落卸壓效果明顯，抽采濃度高，且頂板巖性弱時有效抽采裂隙帶高度降低。

考慮到39021工作面巖性與39011工作面有一定差異，39021工作面設計終孔層位按距煤層頂板18～24m、距回風巷水平投影0～28m，設計孔深68～80m、孔徑Φ94 mm。

（2）合理布孔數(shù)量

鉆場內鉆孔的合理數(shù)量應根據(jù)工作面需要抽采的瓦斯純流量、瓦斯抽采濃度、封孔管直徑等因素確定[8]，見式（1）。

式中：N為高位鉆孔數(shù)量，個；Q為高位鉆孔需抽采瓦斯總流量，m3/min；D為高位鉆孔直徑，m；V為高位鉆孔抽采管流速，m/s；C為高位鉆孔抽采濃度，%。

參考39011工作面回采期間瓦斯涌出量，預計39021工作面采空區(qū)最大瓦斯涌出量3.62m3/min，則高位鉆孔最大需抽瓦斯量3.62m3/min。

若39021工作面高位鉆孔設計管徑Φ94 mm、瓦斯?jié)舛?0%、高位鉆孔抽采管流速15 m/s，在39021回風巷設計施工9個抽采鉆場，則每個鉆場應至少施工4個高位鉆孔。

（3）有效利用率及有效長度

回采工作面推進過程中，高位鉆孔逐漸進入采空區(qū)。在此期間，鉆孔離頂板距離總體逐漸減小，鉆孔作用范圍為自裂隙帶中上部降低到冒落帶，抽采效果一般有所降低甚至失效[9]。從39011工作面考察結果可知，高位鉆孔有效效率0.61～0.72，鉆孔有效長度48～50.2m，總體效率比較理想，故39021工作面高位鉆孔設計可參考39011工作面。

（4）鉆場間距和壓茬距離

高位鉆場間距是影響鉆場內高位鉆孔有效長度的重要因素[10]。最佳鉆場間距應確保前一個鉆場內高位鉆孔抽放效果降低時，相鄰鉆場的高位鉆孔能及時起作用，并使高位鉆場內鉆孔始終處于理想的抽采層位，即保證相鄰的兩組高位鉆孔既有合理的疊加，又能保證抽采效果的延續(xù)[11]。從39011工作面試驗考察情況來看，39011鉆場間距為40m，壓茬距離30m時能達到上述效果。故39021工作面高鉆場間距按40m，壓茬距離30 m。

（5）鉆孔封孔深度

39011工作面高位孔封孔深度18m，采用封孔工藝“兩堵一注”，工作面回采期間孔口不漏氣且抽采濃度較理想，故39021工作面高位鉆孔封孔深度按18m，采用“兩堵一注”封孔工藝。

2.3 高位鉆孔的布置層位

39021工作面高位孔從切眼以西80m處開始，每隔40 m布置一組高位孔，共施工9組，每組4個孔，呈扇形布置，終孔層位距煤層頂板18～24m，距回風巷水平投影0～28m，設計孔深68～80m，孔徑Φ94 mm，每組鉆孔壓茬距大于30 m。平剖面見圖2、圖3。

圖2 39021工作面高位鉆孔布置平面

圖3 39021高位鉆孔布置剖面

3 抽采效果考察

為測試高位孔抽采參數(shù)，在39021回風巷各組高位孔安裝孔板流量計，每2～3天利用綜合參數(shù)測定儀測定瓦斯?jié)舛?、流量、負壓等參?shù)。由于瓦斯抽采規(guī)律的復雜性，往往對單獨的一組鉆孔進行分析偶然因素太多，可靠性較低[12]，為了簡化模型，將9組鉆孔的抽采數(shù)據(jù)全部統(tǒng)計到一個坐標系里，不考慮過斷層、停產(chǎn)等因素影響時段與終孔距頂板距離的變化關系，綜合考慮上述數(shù)據(jù)，來分析高位孔抽采規(guī)律。

3.1 終孔距頂板距離變化下的瓦斯抽采、涌出規(guī)律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統(tǒng)一到以終孔距頂板的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數(shù)見圖4。

圖4 終孔距頂板距離不同條件下的綜合參數(shù)

圖4中終孔距煤層頂板在6.5～14 m層位情況下，瓦斯抽采純流量相對較高，結合抽采濃度和回風流瓦斯?jié)舛扔^測數(shù)據(jù)，可知在終孔距煤層頂板10～14 m層位時，瓦斯抽采效果最好，該范圍是39021工作面高位鉆孔布置的理想層位。

3.2 終孔距回風巷中線距離變化下的瓦斯抽采、涌出規(guī)律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統(tǒng)一到以終孔距回風巷中線的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數(shù)見圖5。

圖5 終孔距回風巷距離不同條件下的綜合參數(shù)

圖5中終孔距回風巷中線距離在2～8m、11～19m的情況下，瓦斯抽采純流量相對較高。結合抽采濃度和回風流瓦斯?jié)舛扔^測數(shù)據(jù)，可知終孔距回風巷中線下方水平距離11～17m時，瓦斯抽采效果最好，該范圍是39021工作面高位鉆孔布置的理想位置。

3.3 孔口距切眼距離變化下的瓦斯抽采、涌出規(guī)律

將9組鉆孔的所有抽采濃度、抽采純流量及工作面回風流瓦斯涌出量統(tǒng)一到以孔口距切眼的距離為橫坐標的坐標系，生成綜合參數(shù)見圖6。

圖6 孔口距切眼距離不同條件下的綜合參數(shù)

圖6中孔口距切眼距離20～56m的情況下，瓦斯抽采純流量相對較高；結合抽采濃度和回風流瓦斯?jié)舛扔^測結果可知，孔口距切眼距離在29～56m時，瓦斯抽采效果最好，根據(jù)鉆孔傾角計算，對應的終孔距煤層頂板7～13 m層位。

4 結語

對中馬村礦39021工作面高位鉆孔抽采規(guī)律及布置層位相關研究表明：

1）39021工作面回采期間采空區(qū)瓦斯抽采效果良好，風流瓦斯大大減小，應用效果理想，說明當前高位鉆孔的布置層位總體合理。

2）在終孔距煤層頂板在10～14 m層位情況下，瓦斯抽采效果最好，是高位鉆孔布置的最佳層位。

3）在終孔距回風巷中線下方水平距離11～17m的情況下，瓦斯抽采效果最好，是高位鉆孔布置的最佳水平位置。

4）孔口距切眼距離29～56m的情況下，瓦斯抽采效果最好，根據(jù)鉆孔傾角計算，對應的終孔距煤層頂板7～13 m層位，是高位鉆孔抽采效果較理想的區(qū)域。