綜采工作面斷層影響區(qū)域順層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)

葛 熙

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 032600）

1 工程概況

山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司行政區(qū)劃屬左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)管轄，礦井生產(chǎn)能力0.9 Mt/a，采用斜井開拓方式，現(xiàn)階段正在進(jìn)行15#煤層的開采。15#煤層具體的特征詳見表1 所示。處于準(zhǔn)備階段的15210工作面地表位于疙料村溝，南部為石凹梁中部地段，北部為跑馬梁地段，地表無民房及其它建筑物。工作面煤層底板總體為一向南西方向傾斜的單斜構(gòu)造，局部地段發(fā)育有次一級(jí)的向、背斜構(gòu)造，工作面內(nèi)存在一條較大的正斷層。15210 工作面回采前通過順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽工作，防止正?；夭善陂g瓦斯涌出量過高的問題。根據(jù)以往的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，由于斷層附近構(gòu)造應(yīng)力的影響，煤層透氣性差，鉆孔施工困難，對(duì)于瓦斯的滲透和抽采效果造成很大影響，為改善斷層影響區(qū)域順層鉆孔瓦斯預(yù)抽效果，以15210 工作面為背景進(jìn)行相關(guān)研究。

表 1 煤層特征情況表

2 斷層對(duì)鉆孔抽采半徑的影響

由于斷層的存在，附近煤巖體內(nèi)的地應(yīng)力重新分布，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤體受到地應(yīng)力作用更加明顯，透氣性受到影響，導(dǎo)致順層鉆孔的抽采半徑較小。為準(zhǔn)確掌握15210 工作面內(nèi)正斷層附近順層鉆孔的抽采半徑，設(shè)計(jì)在15210回風(fēng)巷內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用壓力降低法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鉆孔的有效抽采半徑[1]。降壓法是通過在抽采鉆孔兩側(cè)布置多個(gè)測(cè)試孔，根據(jù)測(cè)試孔內(nèi)瓦斯壓力的變化確定抽采鉆孔的影響范圍?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，共布置兩個(gè)抽采鉆孔，分別距斷層為15 m 和40 m。抽采鉆孔直徑為113 mm，深度為80 m。在抽采孔兩側(cè)分別布置兩個(gè)測(cè)試孔，孔深50 m，直徑94 mm。其中2#測(cè)試孔與抽采鉆孔的垂直距離為1 m，其余測(cè)試鉆孔間距為2.0 m。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鉆孔布置詳情如圖1 所示。

圖 1 鉆孔有效抽采半徑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試期間，首先進(jìn)行1#～4#測(cè)試鉆孔的封孔、抽放，待各個(gè)測(cè)試孔內(nèi)瓦斯流量穩(wěn)定后開始預(yù)抽孔的施工，繼續(xù)進(jìn)行各個(gè)測(cè)試孔內(nèi)的抽采，記錄抽采孔開始抽采前后各個(gè)測(cè)試孔的瓦斯流量。以距離斷層15 m 的預(yù)抽測(cè)試為例，得到4 個(gè)測(cè)試孔抽采瓦斯流量的變化規(guī)律如圖2 所示。

由圖2 所示結(jié)果可知，各個(gè)測(cè)試孔抽采初期瓦斯流量較高，隨著抽采時(shí)間的增加，瓦斯流量逐漸減小并趨于穩(wěn)定。1#～4#測(cè)試孔平均瓦斯流量分別為2.0 L/min、1.8 L/min、1.85 L/min、1.95 L/min。預(yù)抽孔施工、封孔、預(yù)抽后，1#測(cè)試孔瓦斯流量相比預(yù)抽前繼續(xù)減小，最終穩(wěn)定在0.75 L/min 上下；2#測(cè)試孔瓦斯流量增至3 L/min，最終穩(wěn)定在2.4 L/min上下；3#測(cè)試孔瓦斯流量增大至2.2 L/min，并最終穩(wěn)定在1.9 L/min 上下；4#測(cè)試孔瓦斯流量相比預(yù)抽前繼續(xù)減小，最終穩(wěn)定在1.0 L/min 上下。綜上可得，2#測(cè)試孔（距預(yù)抽孔1.0 m）瓦斯流量比預(yù)抽前增大了33.3%，3#測(cè)試孔（距預(yù)抽孔2.0 m）瓦斯流量增大了5.4%，1#測(cè)試孔（距預(yù)抽孔3.0 m）、4#測(cè)試孔（距預(yù)抽孔4.0 m）瓦斯流量明顯減小。根據(jù)鉆孔有效抽采半徑測(cè)定原則[2]，可知距離斷層15 m 處的順層鉆孔有效抽采半徑為1.0 m。同理得到距離斷層40 m 處的順層鉆孔有效抽采半徑為2.0 m。斷層附近順層鉆孔間距應(yīng)小于二倍的有效抽采半徑2.0 m，遠(yuǎn)離斷層的鉆孔間距應(yīng)小于4.0 m。順層鉆孔抽采過程中，各個(gè)鉆孔間常存在疊加抽采的現(xiàn)象，可適當(dāng)增大抽采鉆孔間的距離，因此設(shè)計(jì)15210 工作面順層鉆孔施工實(shí)際間距為2.5 m。

圖 2 各測(cè)試孔作業(yè)前后瓦斯流量隨時(shí)間變化圖

3 斷層附近鉆孔施工技術(shù)研究

3.1 斷層附近鉆孔施工效果

15210 工作面采用順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽，由進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷分別布置順層鉆孔，鉆孔間距為2.5 m。鉆孔的詳細(xì)參數(shù)詳見表2，斷層附近順層鉆孔施工完成后成孔情況如圖3 所示。

根據(jù)圖3 所示結(jié)果可以看出，順層鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為130 m，實(shí)際施工過程中將長(zhǎng)度在80 m 以上的視為成孔。斷層附近共施工190 個(gè)鉆孔，其中成孔共75 個(gè)，成孔率僅39.5%。施工長(zhǎng)度為50～80 m 的鉆孔共80 個(gè)，占鉆孔總數(shù)的42.1%，施工長(zhǎng)度小于30 m 的鉆孔共27 個(gè)，占鉆孔總數(shù)的14.2%，且有8個(gè)鉆孔由于卡鉆現(xiàn)象放棄施工，占鉆孔總數(shù)的4.2%。綜上可以看出，斷層附近順層鉆孔施工效率極差，將嚴(yán)重影響該區(qū)域的瓦斯治理效果。

表 2 順層鉆孔參數(shù)表

圖 3 鉆孔成孔統(tǒng)計(jì)圖

3.2 “孔內(nèi)高壓”施鉆工藝

由于斷層附近煤體結(jié)構(gòu)更加松軟破碎、裂隙發(fā)育，順層鉆孔施工期間排渣量將明顯增大，煤渣不能及時(shí)排出，且鉆孔施工期間，鉆孔內(nèi)壓力低于周圍煤體內(nèi)的瓦斯壓力，瓦斯解吸使瓦斯壓力進(jìn)一步增大，導(dǎo)致瓦斯積聚。瓦斯的突然釋放引發(fā)噴孔、塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鉆孔的施工效率及瓦斯抽采的效果。斷層附近順層鉆孔鉆進(jìn)過程中卡鉆現(xiàn)象，可通過“孔內(nèi)高壓”施鉆工藝解決。通過大功率空壓機(jī)提高鉆機(jī)的供風(fēng)能力，使鉆頭周圍空氣壓力與煤體內(nèi)瓦斯壓力相近，減小鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力和空氣壓力的差值，減緩煤體內(nèi)瓦斯解吸速度，緩解煤體內(nèi)的瓦斯積聚現(xiàn)象，最終消除噴孔、卡鉆等現(xiàn)象，提高鉆孔施工效率和成孔率。參考相關(guān)研究成果[3-4]，鉆孔孔底的空氣壓力可以表達(dá)為：

式中：△Pa為空氣由鉆孔孔口送入孔底的壓力損失，Pa；△Psa為煤屑在孔底加速所需的壓力損失，Pa；△Ps為煤屑一定速度下在孔口送出附加的壓力損失，Pa；P0為大氣壓，Pa。

孔口處空氣以不可壓縮氣體計(jì)算，其沿程阻力損失△Pa計(jì)算公式為：

式中：△Pa0為沿程阻力損失，Pa；

鉆屑在孔底速度為零，在孔內(nèi)5～10 m加速完成，則加速所需的壓力損失△Psa由下式計(jì)算：

式中：μ 為單位時(shí)間內(nèi)，鉆孔鉆屑體積與牙縫內(nèi)空氣流量比，1；

輸送鉆屑形成的阻力損失△Ps計(jì)算公式為：

式中：△Ps0為鉆渣在孔口被吹出的壓力損失，Pa。

參考相關(guān)的研究成果，取Pa0=0.1 MPa，μ=0.15，△Ps0=0.05 MPa，P0=0.1 MPa，由式（1）～（4）計(jì)算可得孔底最低壓力P=0.459 MPa。15#煤層原始瓦斯壓力為0.28 MPa，確定孔底壓力應(yīng)為0.739 MPa 左右，空壓機(jī)設(shè)計(jì)壓力最大可達(dá)1.5～2.0 MPa，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工、經(jīng)濟(jì)成本及空壓機(jī)運(yùn)行中壓力的損失等因素確定空壓機(jī)的合理風(fēng)壓為0.8～0.9 MPa。

為確保斷層附近順槽鉆孔瓦斯抽采效果，在現(xiàn)有鉆孔的條件下，首先進(jìn)行成孔率較高區(qū)域的瓦斯預(yù)抽和鉆孔自然排放。抽采約一個(gè)月后，在斷層影響區(qū)域采用“孔內(nèi)高壓”工藝進(jìn)行鉆孔的施工。鉆孔覆蓋斷層上盤80 m 及下盤120 m 范圍，采用ZDY4500XLY型鉆機(jī)，共施工111 個(gè)鉆孔，空壓機(jī)的額定風(fēng)壓為0.8～0.9 MPa?？紤]原有鉆孔的影響，將鉆孔布置在距離底板2.0 m 處，且與回采巷道軸線方向夾角80°，鉆孔長(zhǎng)度為132 m，直徑為113 mm，間距2.5 m。鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工及布置詳情如圖4 所示。將施工長(zhǎng)度超過100 m 的鉆孔視為成孔，實(shí)際施工過程成孔率超過80%，且未出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象，鉆進(jìn)效率明顯提升。

圖 4 鉆孔布置詳情

4 結(jié)論

在石港煤業(yè)15210 工作面斷層附近進(jìn)行鉆孔預(yù)抽試驗(yàn)，通過壓力降低法測(cè)得距斷層15 m 處鉆孔有效抽采半徑為1.0 m，距斷層40 m 處鉆孔有效抽采半徑為2.0 m，確定順層鉆孔的布置間距為2.5 m。根據(jù)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工情況，斷層附近鉆孔的成孔率、抽采效果差，提出采用“孔內(nèi)高壓”工藝重新進(jìn)行鉆孔的施工。實(shí)際施工過程成孔率超過80%，且未出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象，鉆進(jìn)效率明顯提升，成功解決了斷層附近順層鉆孔的施工難題，取得了良好的工作面瓦斯預(yù)抽效果。