定向長距離高位巖層瓦斯抽放鉆孔在瓦斯治理中的應用

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇 徐州 221600）

孔莊煤礦IV1采區(qū)瓦斯賦存受8煤層影響較大，已回采過的工作面均表現(xiàn)出瓦斯涌出不均衡的特點。前期在工作面回采期間采用傳統(tǒng)的高位鉆孔方式抽放采空區(qū)瓦斯，但是傳統(tǒng)高位鉆孔方式在挪移鉆場時容易出現(xiàn)抽放空白期，即挪移后鉆場不能立即啟用。且受鉆孔壓茬的影響，傳統(tǒng)高位鉆孔的利用率較低，甚至不足60%。為此，研究提出了應用定向長距離高位巖層瓦斯抽放鉆孔抽放瓦斯的技術方案，對傳統(tǒng)高位鉆孔的布置進行了改進，提高瓦斯治理的針對性、合理性和經(jīng)濟性。

1 采煤工作面瓦斯賦存情況

7434 綜放工作面為IV1采區(qū)西翼第二個7煤回采工作面，經(jīng)鑒定IV1采區(qū)7、8煤均為II類自燃煤層，且煤塵具有爆炸性。工作面標高-762m～-866m，走向長1235m，設計工作面凈長197m（平距），工作面上至7432采空區(qū)，下至-860等高線，東到7434停采線，西至工業(yè)廣場保護煤柱。工作面煤層厚度3.8～4.7m，平均厚度4.19m，工作面煤層傾角在18°～25°，平均傾角23°。本工作面煤層結(jié)構(gòu)簡單，材料道Y12-Y13測點范圍內(nèi)有夾矸，夾矸厚度0.4m，夾矸巖性為泥巖；溜子道L36點前25m至L37點前25m范圍內(nèi)有夾矸，夾矸厚度0～0.8m，巖性為泥巖，整體呈東部略厚，西部稍薄。由于IV1采區(qū)西翼8煤層存在缺失區(qū)，7434綜放工作面不同區(qū)間瓦斯涌出規(guī)律受下方出現(xiàn)8煤層賦存的影響。7煤層實測原始瓦斯含量為3.68 m3/t，8煤實測原始瓦斯含量為4m3/t。工作面回采期間瓦斯涌出量預測結(jié)果表明，7434綜放工作面下方8煤的賦存情況對瓦斯涌出影響較大，因此根據(jù)8煤賦存情況將工作面劃分為三個區(qū)間。如圖1所示。

區(qū)間1：位置為切眼后退611m，7煤平均厚度為4.19m，無8煤，預測瓦斯涌出量1.973m3/t；區(qū)間2：位置為8煤尖滅區(qū)至可采線，7煤平均厚度為4.19m，8煤煤厚0.8m，7、8煤間距9.6m，預測瓦斯涌出量2.165m3/t；區(qū)間3：位置為8煤尖可采線至停采線，7煤平均厚度為4.19m，8煤煤厚4.0m，7、8煤間距9.3m，預測瓦斯涌出量2.935m3/t。

圖1 7434綜放工作面各區(qū)間劃分情況

圖2 7434綜放工作面回采期間絕對瓦斯涌出量情況

由圖2可以看出，在區(qū)間1下方無8煤層區(qū)域工作面平均絕對瓦斯涌出量約為0.65m3/min，在區(qū)間2下方逐漸出現(xiàn)8煤區(qū)域工作面平均絕對瓦斯涌出量約為1.00m3/min，在區(qū)間3下方8煤達到4m的區(qū)域工作面平均絕對瓦斯涌出量約為2.00m3/min。由此可以得出工作面回采期間各區(qū)間絕對瓦斯涌出規(guī)律基本符合預測瓦斯涌出規(guī)律的特點，受鄰近8煤層賦存影響較大。

2 定向長距離高位巖層瓦斯抽放鉆孔設計及實施

根據(jù)工作面瓦斯抽放設計，工作面回采期間采用采空區(qū)埋管及高位鉆孔相結(jié)合的瓦斯抽放組合模式。采空區(qū)埋管瓦斯抽放系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，但高位鉆孔瓦斯抽放系統(tǒng)受鉆場頻繁交錯的影響，挪移鉆場期間瓦斯抽放系統(tǒng)運行效果相對較差，且鉆孔的有效利用率較低。為此，結(jié)合定向鉆機的特點，在區(qū)間3回采期間提出了施工定向長距離高位巖層瓦斯抽放鉆孔的方案。

施工采用ZYWL-6000DS雙履帶式全液壓定向鉆機，根據(jù)7434工作面冒落帶高度及本工作面已施工鉆場資料，并結(jié)合采煤工作面巷道布置條件，本次鉆孔終孔層位位于煤層頂板之上的穩(wěn)定砂巖層中，初步按照工作面采高約4～7倍計算。1#、3#和5#鉆孔控制層位為頂板以上29m的穩(wěn)定砂巖中，2#、4#和6#鉆孔控制層位為頂板以上19m的穩(wěn)定砂巖中。鉆孔進入目標層位鉆孔軌跡平距（距7434材料道）控制范圍為10～35m范圍。1#鉆孔平距為10m，鉆孔之間平距為5m。為防止鉆孔塌孔及方便鉆孔瓦斯抽采，鉆孔將設計沿煤層頂板穿行，終孔落在目的層位，單孔孔深設計為420m。

鉆孔開孔均使用Φ96mm鉆頭鉆進至16m，用Φ146mm鉆頭擴孔鉆進至15m下Φ127mm套管15m并固結(jié)套管，套管采用雙液漿（水泥、水玻璃）固結(jié)，等凝固24h后管口安裝悶盤，做注水試驗。注水試驗壓力保持在1.0MPa以上，穩(wěn)定半小時后，套管不松動并且套管外壁不滲水，注水試驗合格，套管不存在漏氣現(xiàn)象。

3 抽放效果分析

3.1 瓦斯抽放整體效果分析

隨著7434工作面逐漸進入?yún)^(qū)間3，工作面下方8煤達到可采線范圍后，工作面瓦斯涌出量開始增加。工作面上隅角及回風側(cè)瓦斯?jié)舛染忻黠@升高趨勢，上隅角瓦斯?jié)舛茸罡哌_到0.53%，回風側(cè)瓦斯?jié)舛茸罡?.31%，并且隨著工作面產(chǎn)量的增加瓦斯涌出量仍有繼續(xù)上升的趨勢。為此開啟了定向長距離高位巖層瓦斯抽放系統(tǒng)，運行期間抽放效果如圖3所示。

圖3 抽放系統(tǒng)運行期間相關瓦斯?jié)舛惹闆r

根據(jù)工作面推進情況預計，抽放系統(tǒng)運行期間對應這一抽放效果的初始點為工作面至高位鉆場147m，設備開啟4h后，抽采瓦斯?jié)舛扔勺罡?.93%快速下降并逐漸穩(wěn)定在0.5%左右；上隅角瓦斯?jié)舛纫灿勺铋_始的0.5%快速下降至0.3%，并最終穩(wěn)定在0.22%左右；工作面回風側(cè)瓦斯?jié)舛认陆邓俣认鄬^緩，由0.3%逐漸降至0.1%左右。從以上可以看出，定向長距離高位巖層瓦斯抽放系統(tǒng)運行期間，不管是上隅角瓦斯?jié)舛冗€是工作面風排瓦斯量均明顯降低，抽放效果較好。

3.2 長距離高位巖層鉆孔抽放效果分析

為進一步驗證高位鉆孔運行期間各鉆孔瓦斯?jié)舛龋?0月7日至11月29日利用CJZ7瓦斯綜合參數(shù)測定儀對鉆場單孔瓦斯、流量及負壓進行參數(shù)采集統(tǒng)計。

圖4 鉆孔抽放期間瓦斯?jié)舛?、負壓、流量變化曲線

由圖4可看出工作面回采至8煤可采區(qū)運行瓦斯抽放系統(tǒng)后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)可以看出1#、2#、4#鉆孔單孔流量相對穩(wěn)定，平均流量分別為5m3/min、5m3/min、4.7m3/min，抽采平均瓦斯?jié)舛?%、4.9%、5%。1#鉆孔層位在煤層頂板上方29m內(nèi)錯材料道10m，2#、4#鉆孔層位在煤層頂板上方19m內(nèi)錯材料道分別為15m和25m。該區(qū)域煤壁側(cè)裂隙發(fā)育，加之回采期間上隅角退錨落頂較好，同時隨著工作面的推進，在工作面形成一個采動壓力場，在這個壓力場中形成了大量裂隙和空間，給瓦斯運移和儲存提供了通道和足夠的空間，因此鉆孔連通的頂板巖層裂隙帶與采空區(qū)溝通較好，單孔抽放瓦斯?jié)舛容^高，抽放管路負壓相對穩(wěn)定。因此，1#、2#、4#三個瓦斯抽放孔比3#、5#、6#瓦斯抽放鉆孔抽采瓦斯效果好。

經(jīng)對7434回采工作面高位鉆孔瓦斯抽放效果的數(shù)據(jù)分析，1#、2#、4#鉆孔相對應的煤層頂板層位為19～29m，平距材料道10～25m，該區(qū)間瓦斯抽放濃度在5%～6%之間，瓦斯抽放量5m3/min，瓦斯抽放量較為穩(wěn)定，可保持工作面的連續(xù)抽采。

4 結(jié)論

為進一步提高工作面瓦斯治理針對性和瓦斯抽放效果，消除7434工作面受8煤層影響瓦斯涌出不均衡的風險，根據(jù)工作面煤層瓦斯賦存、受8煤層影響及7434工作面瓦斯涌出情況，研究提出了定向長距離高位巖層瓦斯抽放鉆孔抽放瓦斯的技術方案。抽放系統(tǒng)運行后工作面上隅角及回風巷內(nèi)瓦斯?jié)舛让黠@降低，瓦斯治理效果較好。從單孔瓦斯抽放運行效果分析，終孔位置處于距煤層頂板19～29m、平距材料道10～25m區(qū)域為最佳抽放位置，可以為今后工作面高位瓦斯抽放孔參數(shù)的布置提供設計依據(jù)和瓦斯治理經(jīng)驗。