近距離下伏煤層定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西 太原 030025）

長期以來，煤層群開采期間瓦斯異常涌出問題一直是重點(diǎn)攻關(guān)的難題。國內(nèi)外專家學(xué)者從不同方向?qū)υ撜n題進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)。大體分為保護(hù)層開采，地面井抽采煤層群瓦斯，強(qiáng)化卸壓抽采煤層瓦斯等技術(shù)。近些年，袁亮[1]提出了在留巷內(nèi)布置上下向高低位抽采鉆孔直達(dá)卸壓瓦斯富集區(qū)域，通過連續(xù)高效抽采上下被卸壓層的瓦斯，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下直接抽采卸壓瓦斯的重大突破。盧平等[2]針對低透氣性高瓦斯煤層群首采卸壓層瓦斯涌出量大問題，研究發(fā)現(xiàn)采空區(qū)側(cè)存在“豎向裂隙發(fā)育區(qū)”，煤層的透氣性顯著增加。對該區(qū)域精準(zhǔn)強(qiáng)化抽采，取得了很好的抽采效果。針對于下伏煤層瓦斯治理問題，趙祉友等[3]研究提出了采用斜直井鉆機(jī)地面施工L型井方式抽采經(jīng)采動(dòng)卸壓的下伏煤層瓦斯。王海鋒[4]分析了下被保護(hù)層的瓦斯流動(dòng)及匯集特征，下被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采采取以底板巖巷網(wǎng)格式上向穿層鉆孔的抽采方式，有效降低了下被保護(hù)層的瓦斯含量，徹底消除了突出煤層的危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了突出煤層的安全高效開采。

筆者以馬蘭礦煤層群開采為背景，對開采層下伏煤層（層間距10 m以內(nèi)，煤厚1.5 m以上）的瓦斯治理，采用先沿下伏煤層布置巷道（以下稱簡稱底抽巷），然后利用底抽巷沿下伏煤層施工順層鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽和采動(dòng)卸壓攔截抽采。此種措施雖然成熟可靠，但施工底抽巷帶來的生產(chǎn)接續(xù)壓力、不能復(fù)用的底抽巷所產(chǎn)生的煤柱損失，包括隨著采掘延深、瓦斯含量增加與壓力增大，底抽巷瓦斯治理工作量越來越大，造成底抽巷治理下伏煤層瓦斯的優(yōu)勢逐步消失。為此，馬蘭礦根據(jù)18506工作面特殊條件，試驗(yàn)施工定向鉆孔治理下伏煤層瓦斯。

1 施工地點(diǎn)概況

馬蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，18506工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，北側(cè)18504工作面已回采結(jié)束，南側(cè)為實(shí)體煤。工作面采用“U”型通風(fēng)布局，膠帶巷進(jìn)風(fēng)、輔運(yùn)巷回風(fēng)，同時(shí)布置有高抽巷、底抽巷（沿9#煤層施工，內(nèi)錯(cuò)18506工作面，先服務(wù)18504工作面），見圖1。工作面設(shè)計(jì)走向長1308m，采長261m，所采8#煤厚4.43 m。8#煤層下距9#煤層間距為4.2～11.34m，平均7.86 m。9#煤層厚1.67～2.11m，平均1.82 m。兩煤層均為煤與瓦斯突出煤層。煤層綜合柱狀見圖2。

據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，18506工作面8#煤層原始瓦斯含量為5.8～6.5m3/t，原始瓦斯壓力為0.43MPa；9#煤層原始瓦斯含量5.5～6.0m3/t，原始瓦斯壓力1.08MPa。

圖1 18506工作面巷道布置

圖2 18506工作面煤層綜合柱狀

為治理18506工作面下伏9#煤層瓦斯涌出，在18506底抽巷沿9#煤層施工了對應(yīng)區(qū)域的順層鉆孔，根據(jù)礦井抽采半徑測定結(jié)果，鉆孔間距確定為5m，孔深覆蓋工作面傾向，為230 m。工作面回采里程480～655 m段、原設(shè)計(jì)孔號132#～167#范圍，鉆孔由垂直巷幫布置改為鉆場扇形布置，孔深為165～285 m 不等，布置見圖3。

由于18506底抽巷里段巷道變形，人員不便進(jìn)入其中現(xiàn)場調(diào)控、管理已施工的順層抽采鉆孔，馬蘭礦于底抽巷里程491m處施工2個(gè)定向鉆孔強(qiáng)化工作面里段9#煤層瓦斯的卸壓抽采。鉆孔位于8#、9#煤層之間的巖層中，沿9#煤層頂板上部1m處的粉砂巖中布置，孔徑120 mm。1#孔布置1個(gè)分支、2#孔布置3個(gè)分支，各分支間距12～27m，鉆孔最大控制長度830m，總工程量3425m，見圖4。

圖4 18506底抽巷定向鉆孔成孔軌跡

2 抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)抽采記錄，18506底抽巷定向鉆孔于2018年6月1日開始觀測單孔抽采數(shù)據(jù)（見表1）。2018年6月1日開始，定向鉆孔與底抽巷其他順層鉆孔共用一趟管路，單孔具備計(jì)量條件；9月12日定向鉆孔與底抽巷鉆場內(nèi)扇形孔使用一趟抽采管路進(jìn)行抽采；9月26日，定向鉆孔單獨(dú)使用一趟抽采管路進(jìn)行抽采。

表1 18506底抽巷定向鉆孔抽采計(jì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

時(shí)間（2018年）孔號抽采負(fù)壓/kPa抽采參數(shù)工作面里程/m 節(jié)流/kPa抽采濃度/%抽采純量/(m3/min)最長鉆孔距切眼距離/m 1 10.86 0.00 48 0.00-134.6 8.21 1115 2 10.42 0.05 25 0.26-170.5 1 10.20 0.00 54 0.00-146.6 9.01 1103 2 9.56 0.05 20 0.21-182.5 9.11 1 9.25 0.00 48 0.00 1079-170.6 2 9.56 0.03 22 0.18-206.5 9.21 1 8.76 0.00 55 0.00 1059-190.6 2 8.42 0.05 19 0.57-226.5 10.01 1 12.92 0.00 64 0.00 1025-224.6 2 12.24 0.05 30 0.86-260.5 10.11 1 13.60 0.00 76 0.00 1002-247.6 2 13.33 0.07 31 1.03-283.5 10.21 1 14.96 0.00 66 0.00 976-273.6 2 14.28 0.08 42 1.48-309.5 11.01 1 14.93 0.00 56 0.00 944-305.6 2 13.16 0.08 36 1.29-341.5 11.11 1 14.96 0.00 60 0.00 905-344.6 2 13.06 0.06 44 1.36-380.5 11.21 1 7.48 0.00 60 0.00 877-372.6 2 7.07 0.04 49 1.33-408.5 12.01 1 18.09 0.00 52 0.00 852-397.6 2 17.00 0.08 29 0.99-433.5 1 14.96 0.00 64 0.00-420.6 12.11 829 2 13.06 0.08 31 1.11-456.5 12.21 1 14.96 0.00 59 0.00 785-464.6 2 13.60 0.08 31 1.10-500.5 1 14.93 0.00 57 0.00-489.6 2019.1.1 751 2 13.60 0.08 33 1.17-534.5 2019.1.8 1 13.19 0.00 61 0.00 719-530.6 2 12.38 0.06 40 1.16-566.5

根據(jù)抽采統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、工作面開采情況（2018年5月開始回采），1#、2#定向鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度與工作面推進(jìn)度的關(guān)系，見圖5、圖6。

圖5 1#、2#孔瓦斯抽采量與工作面推進(jìn)度的關(guān)系

圖6 1#、2#孔瓦斯抽濃度與工作面推進(jìn)度的關(guān)系

從表1及圖5、圖6可知，1#孔瓦斯?jié)舛仍?2%～80%之間，但抽采節(jié)流始終為0，判斷為孔內(nèi)積水或跨孔封堵；2#孔抽采量隨工作面推進(jìn)度、進(jìn)入已采范圍鉆孔分支數(shù)量增加而穩(wěn)步上升。根據(jù)抽采統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、鉆孔布置及工作面推進(jìn)度，2#孔主孔及各分支進(jìn)入采動(dòng)影響范圍后，2#孔抽采量變化見圖7（2-3#分支進(jìn)入采動(dòng)影響范圍后2#孔抽采量無明顯變化）。按抽采時(shí)間、抽采累積量反算，2#孔每一分支（主孔）平均抽采量為0.3974m3/min。

圖7 2#孔抽采量與主孔、各分支進(jìn)入采動(dòng)影響范圍的關(guān)系

3 采動(dòng)影響下瓦斯抽采鉆孔布置方式的替代分析

以18506工作面采前下伏9#煤層殘余瓦斯含量5.23m3/t為基準(zhǔn)，按照2018年10月份抽采穩(wěn)定后，底抽巷普通鉆機(jī)傾向順層鉆孔抽采量為3.78m3/min、沿走向定向長鉆孔抽采瓦斯為1.22m3/min，工作面配風(fēng)量為2280m3/min，生產(chǎn)時(shí)回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.6%考慮（其他條件不變）。若不采用底抽巷普通鉆機(jī)傾向順層鉆孔抽采，全部改用沿走向布置的定向長鉆孔替代，對其瓦斯抽采效果進(jìn)行考察。

根據(jù)考察確定的每個(gè)定向鉆孔分支或主孔0.3974m3/min的卸壓抽采量、鉆孔分支間距25 m（透氣性較好時(shí)抽采經(jīng)驗(yàn)），工作面沿走向均勻布置主孔及分支共8個(gè)進(jìn)行全覆蓋（沿走向長度500 m），并且均出氣時(shí)，經(jīng)計(jì)算預(yù)計(jì)卸壓抽采量為3.18m3/min。相比10月份抽采穩(wěn)定后底抽巷內(nèi)傾向、走向鉆孔抽采量5m3/min，理論上有1.82m3/min的卸壓瓦斯涌向8#煤層作業(yè)空間。按風(fēng)量2280m3/min 計(jì)算，將導(dǎo)致回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙?.079%，即此時(shí)工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛炔怀^0.8%，仍在安全范圍內(nèi)。若將定向鉆孔布置密度進(jìn)一步加大，瓦斯?jié)舛瓤刂聘邪盐铡?/p>

另一方面，工作面沿走向布置8個(gè)500 m長鉆孔或分支，鉆孔工程量約4000m，而沿傾向布置的順層鉆孔按5 m間距、220 m孔深布置，近22000 m鉆孔工程量。相比較而言沿走向布置的鉆孔工程量更小。

總之，以18506工作面采前下伏9#煤層殘余瓦斯含量為基礎(chǔ)，9#煤層瓦斯治理全部改用沿走向布置的定向長鉆孔替代，理論上具備可行性。

4 結(jié)語

1）結(jié)合馬蘭礦18506工作面沿走向定向長鉆孔抽采9#煤層卸壓瓦斯的工程應(yīng)用，初步論證了沿走向定向長鉆孔代替底抽巷抽采下伏煤層瓦斯的可行性。推算結(jié)果表明，卸壓抽采量為3.18m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙禐?.079%，在安全范圍內(nèi)。應(yīng)增加定向鉆孔數(shù)量，使回風(fēng)流瓦斯?jié)舛忍幱诎踩煽氐姆秶鷥?nèi)。

2）雖然現(xiàn)場積累的數(shù)據(jù)量偏少，部分?jǐn)?shù)據(jù)處理簡單、甚至理想化，可能導(dǎo)致實(shí)際情況與結(jié)論存在出入，但不影響該項(xiàng)工程實(shí)踐所揭示的定向長鉆孔代替底抽巷的方向。

3）結(jié)合1#鉆孔內(nèi)積水或跨孔封堵，需進(jìn)一步研究下行定向長鉆孔排水、排渣問題，以改善預(yù)抽效果。

4）引入定向長鉆孔護(hù)孔工藝強(qiáng)化卸壓抽采效果，推動(dòng)“以孔代巷”治理瓦斯方式的廣泛應(yīng)用，助力煤礦“減、優(yōu)、綠”發(fā)展。