基于三帶高度測定的定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

孫世鋒 劉 飛

（1.山西長治郊區(qū)三元南耀小常煤業(yè)有限公司，山西 長治 046013；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著國內(nèi)煤礦開采深度的不斷增加，煤體中伴隨有游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)的瓦斯氣體隨之加大，煤層賦存的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，造成煤礦瓦斯危害越來越大，瓦斯治理難題成為了制約煤礦生產(chǎn)的主要因素之一。小常煤業(yè)3 號(hào)煤層綜采工作面回采過程中，工作面瓦斯涌出量相當(dāng)一部分來自于鄰近層及采空區(qū)，為此小常煤業(yè)在以往工作面回采時(shí)，在回風(fēng)順槽采幫掘進(jìn)高位巖石鉆場，并在鉆場內(nèi)施工孔深 400 m、孔徑Ф193 mm 的頂板高位鄰近層鉆孔抽采鄰近層、采空區(qū)及上隅角瓦斯，能夠攔截鄰近層涌出的瓦斯，并對工作面后部采空區(qū)積聚的瓦斯起到抽采牽制作用，減少了工作面生產(chǎn)過程中上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取５S著工作面采掘工作的不斷深入，瓦斯涌出量不斷增大，加之工作面地質(zhì)條件不斷變化，頂板高位鉆孔的缺點(diǎn)也逐漸體現(xiàn)出來。首先工作面地質(zhì)條件存在一定起伏變化，鉆孔不能隨煤層的變化而變化，因此鉆孔抽采高度不穩(wěn)定，導(dǎo)致抽采數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，抽采效果起伏較大。而且開設(shè)鉆場施工成本較高，鉆孔現(xiàn)場施工難度較大。為此，小常煤業(yè)為了進(jìn)一步提高瓦斯抽采效果，降低生產(chǎn)成本，通過多次調(diào)研考察，決定采用定向走向長距離鉆孔瓦斯抽采工藝，以代替頂板高位巖石鉆場的長距離鉆孔，在 30212 工作面回風(fēng)順槽采煤幫開設(shè)煤巷鉆場，利用定向鉆機(jī)鉆孔軌跡可導(dǎo)向、可控制的特點(diǎn)施工頂板定向走向長鉆孔。通過一年多在 30212 綜采工作面的不斷試驗(yàn)，抽采效果良好，有效地降低了工作面上隅角及回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛龋_(dá)到了預(yù)期的目的，保證了工作面安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

30212 回采工作面位于井田3 號(hào)煤層302 采區(qū)，井下標(biāo)高+486～ +586 m，開采深度 336～436 m。30212 工作面設(shè)計(jì)長度277.5 m，工作面有效推進(jìn)長度為577 m。工作面北側(cè)為已回采完畢的30211 回采工作面，該工作面于2014 年回采完畢，南側(cè)為實(shí)體煤，東側(cè)為三條采區(qū)上山。根據(jù)井上下對照圖，地面較為平坦。該礦3 號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，厚度為 4.73～8.44 m，平均 6.82 m。井田中西部較薄，厚度變異系數(shù)14.42%，含 0～3 層夾矸，夾矸厚度 0.10～1.20 m，多為炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡單～復(fù)雜。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部（502 號(hào)孔）為粗粒砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖。30212 工作面埋深最深處位于30212回風(fēng)順槽末端，最大埋深為 430 m，30212 工作面最大原煤瓦斯含量為 6.98 m3/t。

2 理論分析

煤層開始回采后，煤層頂板的裂隙帶內(nèi)會(huì)發(fā)育大量縫隙，這些縫隙是瓦斯流動(dòng)運(yùn)移的主要通道[1-2]。若將抽采瓦斯的鉆孔設(shè)在上述區(qū)間內(nèi)，瓦斯抽采的效果將得到顯著的提高。當(dāng)回采煤層與鄰近煤層距離較近時(shí)，隨著回采工作面的推進(jìn)，頂、底板圍巖應(yīng)力較大區(qū)域且?guī)r性較好的巖層，受高應(yīng)力作用在回采煤層的頂板上部裂隙帶產(chǎn)生裂隙，致使采空區(qū)與鄰近層形成了瓦斯運(yùn)移的通道，煤巖層瓦斯通過裂隙通道涌入采空區(qū)，同時(shí)，由于煤壁落煤解吸瓦斯中的一部分也隨風(fēng)流涌入采空區(qū)內(nèi)，隨著瓦斯涌出量的增大將造成回風(fēng)流瓦斯超限及上隅角瓦斯積聚，給礦井安全生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[3]。以往傳統(tǒng)工藝采用普通鉆機(jī)施工高位鉆孔對裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采，但該技術(shù)存在鉆孔利用率低（僅為40%～50%）、鉆探成本高等問題，且不能有效地治理上隅角瓦斯。與普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工瓦斯抽采鉆孔相比，定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍區(qū)域瓦斯治理，具有鉆孔抽采率高、鉆孔抽采時(shí)間長、瓦斯治理投入低等優(yōu)點(diǎn)。定向長鉆孔把裂隙帶發(fā)育的裂隙作為瓦斯抽采的通道，有效地對上鄰近層涌出的瓦斯進(jìn)行抽采，阻止其涌入到采煤工作面及上隅角，同時(shí)利用抽采負(fù)壓將積聚在采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯抽入抽采管路中，有效地防止工作面及上隅角瓦斯超限[4]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

鉆孔終孔高度的確定主要依據(jù)煤層上部的三帶高度的分布，由于瓦斯相對較輕，所以主要集中在裂隙帶。在綜采工作面周期來壓時(shí)，裂隙帶內(nèi)儲(chǔ)存的高濃度瓦斯會(huì)在短時(shí)間內(nèi)從煤層上部釋放出來，使工作面和上隅角瓦斯超限甚至發(fā)生瓦斯事故。因此，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在豎直方向?qū)@孔層位選擇在垮落帶和裂隙帶交界面以上3～8 m 的位置。根據(jù)“三帶”理論和瓦斯擴(kuò)散－滲流理論的研究成果，結(jié)合大量的現(xiàn)場瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，表明在裂隙帶內(nèi)布置高位鉆孔是解決采空區(qū)及上隅角瓦斯問題的有效措施之一。

裂隙帶高度H 理論計(jì)算：

式中：h 為采高；a、b、c 為待定常數(shù)，需要依據(jù)煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范確定，a、b、c 待定常數(shù)取值見表1。

表1 a、b、c 待定取值

30212工作面煤層厚度為7 m，頂板為中硬巖石，因此根據(jù)上式可計(jì)算出裂隙帶高度為41.7～52.9 m。

3.2 設(shè)計(jì)施工

在 30212 回風(fēng)順槽采幫布置定向鉆場，鉆場間距 300～400 m 不等，定向鉆場尺寸：長度 8 m，深度 4.5 m，高度 4.5 m。鉆場設(shè)計(jì)10 個(gè)鉆孔，開孔間距0.7 m，目標(biāo)孔間距 7 m。分兩排布置，第一排為 1#～5#孔，開孔高度為距頂板1.5 m，設(shè)計(jì)孔深400 m（走向長度），終孔高度為 37～45 m；第二排為 6#～10#孔，開孔高度為距頂板 2 m，設(shè)計(jì)孔深400 m 左右（走向長度），終孔高度為14～18 m。定向鉆孔施工的開孔孔徑為Ф98 mm，進(jìn)行一次擴(kuò)孔，終孔孔徑為Ф153 mm。定向鉆孔布置圖如圖1。

圖 1 定向鉆孔布置圖

3.3 抽采效果分析

由圖2 及圖3 可知，無論是抽采濃度還是抽采純量，定向頂板長鉆孔隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯抽采效果持續(xù)穩(wěn)定，沒有太大波動(dòng)。最大單孔抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)55%，最大單孔抽采瓦斯純量達(dá)3.88 m3/min，鉆場瓦斯抽采純流量達(dá)到9.83 m3/min，有效防止了30212 工作面鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌入采場。

圖 2 鉆孔抽采濃度曲線圖

圖 3 鉆孔抽采純量曲線圖

4 結(jié)論

定向鉆孔抽采濃度高、流量大，治理30212 綜采工作面采空區(qū)瓦斯的效果非常明顯，通過鉆孔施工數(shù)據(jù)及抽采數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

（1）小常煤業(yè)3 號(hào)煤層裂隙帶最佳抽采高度在35～40 m 之間，鉆孔軌跡可調(diào)整、可控制，可及時(shí)調(diào)整鉆孔抽采高度，保證鉆孔始終處于最佳抽采位置；

（2）定向裂隙帶抽采鉆孔，瓦斯抽采濃度高、純量大，鉆場平均抽采純量是普通鄰近層瓦斯抽采鉆孔的3～4 倍；

（3）定向鉆孔抽采周期長，瓦斯抽采濃度、純量平穩(wěn)，可對采空區(qū)及鄰近層瓦斯進(jìn)行有效抽采控制。

通過試驗(yàn)考察，定向走向長鉆孔也存在一定問題，由于煤層頂板巖性較硬，定向鉆孔施工鉆孔速度較慢；定向鉆孔施工的開孔孔徑為Ф98 mm，可進(jìn)行一次擴(kuò)孔，終孔孔徑為Ф153 mm，但擴(kuò)孔進(jìn)度較慢，施工效率不高；定向鉆孔終孔孔徑為Ф153 mm，相對于頂板高位鉆孔Ф193 mm 的鉆孔孔徑較小，對瓦斯抽采效率存在一定影響。