定向高位孔合理抽采層位研究與分析

王 凱 姚學(xué)慶

（1.焦作煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司中馬村礦，河南 焦作 454000；2.焦作煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究所，河南 焦作 454000）

中馬村礦前期采空區(qū)瓦斯抽采主要采取插管抽采+冒落拱上方常規(guī)斜向高位鉆孔抽采，雖能在一定程度上抑制厚煤層分層開采工作面上隅角瓦斯涌出，但鉆孔施工量較大，且抽采效果不穩(wěn)定，一般采取井下移動泵抽采，其抽采采空區(qū)瓦斯利用率較為有限[1]。隨著瓦斯治理理念的不斷深入，瓦斯綜合治理效果提升，工作面回采工藝由厚煤層分層開采逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榫C采放頂煤開采工藝，極大地提高了礦井工作面單產(chǎn)能力，同時也對采空區(qū)瓦斯治理效果提出了更高的要求[2]。

3906工作面為礦井近年來首個突出煤層綜采放頂煤工作面，其煤層賦存不穩(wěn)定，在采取大斜長綜采放頂煤工藝回采期間，采面瓦斯涌出強度高、不均衡，采空區(qū)瓦斯治理難度大。根據(jù)工作面頂板巖性實際情況，研究確定定向高位鉆孔合理布置層位，大幅度提高高位抽采鉆孔的利用效率[3]，實現(xiàn)采空區(qū)抽采瓦斯穩(wěn)定、連續(xù)、可利用，對有效解決采空區(qū)瓦斯治理難題，進一步釋放采煤工作面產(chǎn)能具有重要意義。

1 工作面概況

3906工作面位于39采區(qū)西翼中部，北為3904工作面（已回采），南為3908工作面（未掘），西臨張?zhí)锖有麓灞Ｗo煤柱，東到39皮帶下山。工作面走向長約513 m，傾斜寬127.8～146 m，二1煤層傾角6°～16°，平均11°，工作面煤層厚度變化較大，整體煤厚2.1～10.8 m，平均6.3 m。

根據(jù)礦井4-7地面鉆孔（工作面內(nèi)）地層柱狀，工作面煤層頂板以上依次為：0～1.7 m為炭質(zhì)泥巖、泥巖（偽頂、直接頂），1.7～12.8 m為穩(wěn)定厚砂巖（老頂），12.8～24.5 m為泥巖（約11.7 m），24.5～35.1 m為砂巖、粉砂巖（10.6 m），35.1～40.1 m為泥巖，40.1～51.4 m為砂巖、粉砂巖（11.3 m），51.4～58 m為泥巖，58～67 m為砂巖，頂板覆巖屬中硬類型。

2 定向高位孔合理層位選擇

按照中國礦業(yè)大學(xué)（北京）關(guān)于綜放開采工作面“兩帶”高度預(yù)計公式計算垮落帶高度為23.66～33.08 m，裂隙帶高度為62.47～85.45 m。根據(jù)煤層頂板實際巖性結(jié)合巖層控制關(guān)鍵層理論[4-5]，工作面老頂砂巖是對采場礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生影響的下位亞關(guān)鍵層，距煤層頂板24.5～35.1 m（厚度10.6 m）、40.1～51.4 m（厚度11.3 m）、58～67 m（厚度9 m）砂巖、粉砂巖均可作為上位亞關(guān)鍵層或主關(guān)鍵層。隨著工作面回采老頂砂巖隨之垮落，但老頂以上11.7 m厚度的泥巖在其上多層砂巖支撐下破碎并不充分，因此分析實際垮落帶高度可能不足24.5 m。在其上的多個砂巖層位夾雜著兩層厚度5 m的泥巖，將進一步阻止巖層裂隙傳導(dǎo)，分析裂隙帶高度可能不足58 m。

該結(jié)論與理論計算結(jié)果基本吻合，考慮到粉砂巖夾泥巖、泥巖層將對采空區(qū)瓦斯向上運移產(chǎn)生阻礙，分析確定高位定向鉆孔合理抽采層位應(yīng)為距煤層頂板40.1～51.4 m的砂巖、粉砂巖，并在距煤層頂板12.8 m穩(wěn)定厚泥巖下方施工一組鉆孔進行補充。

3 定向高位孔施工抽采情況

3.1 定向高位孔施工成果

在3906工作面回風(fēng)巷統(tǒng)尺230 m位置施工完成6個頂板定向高位孔，累計鉆進深度1689 m、平均單孔281.5 m。鉆孔終孔位置距回風(fēng)巷平距9.27～29.02 m，距 煤 層 頂 板 垂 距8.56～12.7 m、40.11～50.33 m。同時在回風(fēng)巷統(tǒng)尺480 m處、388.5 m處下幫鉆場，分別施工一組常規(guī)高位孔進行補充抽采，平均孔深80 m，鉆孔終孔層位距回風(fēng)巷平距0～15 m，距煤層頂板垂距17～19 m。鉆孔實鉆、終孔剖面位置如圖1、圖2。

圖1 高位鉆孔實鉆軌跡圖

圖2 高位鉆孔終孔位置剖面圖（m）

3.2 定向高位孔抽采情況

工作面回采初期主要通過常規(guī)高位孔進行采空區(qū)瓦斯抽采，同時，采取工作面上隅角埋管抽采措施。然而，工作面上隅角埋管抽采效果一般，其抽采純量整體處于低位，工作面采空區(qū)瓦斯治理主要依靠高位孔抽采。高位孔抽采純量呈現(xiàn)先逐步上升后緩慢下降，最終趨于穩(wěn)定。高位孔及上隅角埋管抽采純量隨時間變化情況如圖3。

由圖3可見，前期高位孔抽采純量上升主要受兩方面因素影響：一是隨著工作面推進，采空區(qū)頂板逐漸垮落，形成瓦斯運移通道，高位孔抽采效果逐步顯現(xiàn)，即回采初期主要依靠1#鉆場5個常規(guī)高位孔抽采，高位抽采純量隨工作面推進逐漸增大，由初期0.03 m3/min逐漸增加至1.50 m3/min，平均0.62 m3/min；二是多個鉆場鉆孔同時連抽，使得高位抽采純量進一步增大，即10月20日前后補1#鉆場常規(guī)高位孔、2#鉆場定向高位孔開始連抽，3個鉆場多個鉆孔同時抽采，高位抽采純量0.96～2.39 m3/min，平均1.83 m3/min，持續(xù)保持較好抽采效果。高位抽采純量緩慢下降階段也主要受兩方面因素影響：一是隨工作面推進，1#鉆場及補1#鉆場常規(guī)高位孔分別于11月7日、11月30日關(guān)停，在抽鉆孔減少，高位抽采純量下降，11月中下旬抽采純量下降至平均1.55 m3/min；二是部分定向高位鉆孔出水導(dǎo)致抽采間斷，實際在抽定向高位孔僅3個，12月中上旬定向高位孔抽采純量進一步下降至平均0.92 m3/min，并持續(xù)至2021年1月底。后期部分高位孔間斷連抽，抽采純量出現(xiàn)一定起伏。

圖3 高位孔及上隅角埋管抽采純量隨時間變化情況

4 定向高位孔抽采效果分析

4.1 合理抽采層位分析

結(jié)合工作面回采期間鉆孔終孔位置變化情況，統(tǒng)計分析中馬村礦3906工作面自回采以來1#鉆場、補1#鉆場常規(guī)高位孔、2#鉆場定向高位孔抽采濃度，并繪制鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S高位鉆孔平距、垂距分布圖，如圖4。

圖4 高位孔抽采瓦斯?jié)舛确植紙D

由圖4（a）可見，高位鉆孔高瓦斯?jié)舛瘸椴蓪游恢饕植荚诰嗝簩禹敯?2.76 m位置附近（圖中黑色實線位置，即頂板泥巖下方），以及45 m左右砂巖層位。在距煤層頂板12.76 m（頂板泥巖層位）以下，隨著層位降低，抽采濃度逐漸降低；距煤層頂板12.76～24.46 m之間（頂板泥巖層位內(nèi)），隨著層位增大，抽采濃度逐漸降低，僅個別鉆孔（1-3#鉆孔）表現(xiàn)高濃度抽采效果。綜上分析認為，垂直方向上，3906工作面采空區(qū)瓦斯分布主要受煤層頂板泥巖阻隔影響：距煤層頂板12.76～24.46 m位置的泥巖（厚度11.3 m）雖處于冒落帶內(nèi)，但并不會像砂巖、粉砂巖一樣隨工作面回采不規(guī)則垮落、形成大量裂隙通道，多為整體規(guī)則垮落，并形成少量裂隙，因此該范圍采空區(qū)瓦斯在泥巖下方聚集，并隨少量裂隙向上運移，形成在泥巖下方有效抽采空間以及泥巖層位內(nèi)個別高效抽采現(xiàn)象。

由圖4（b）可見，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛入S鉆孔距回風(fēng)巷平距變化分布區(qū)分并不明顯。其中距回風(fēng)巷平距2～16 m位置主要為常規(guī)鉆孔抽采濃度，距回風(fēng)巷平距16～30 m位置主要為3個定向高、低位孔，2個區(qū)間內(nèi)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛日w分布較為均勻。結(jié)合圖4（a）分析認為，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛戎饕茔@孔層位影響（距煤層頂板垂距）。

4.2 采空區(qū)瓦斯治理效果分析

中馬村礦3906工作面采用綜采放頂煤工藝自2020年9月11日 試 生 產(chǎn)，至2021年3月15日（約6個月）累計回采進尺290 m，平均日進尺為1.4 m；累計產(chǎn)量34.86萬t，平均月產(chǎn)量5.81萬t，最高月產(chǎn)量6.62萬t（2021年2月），平均日產(chǎn)量1885 t。3906工作面回采以來，總瓦斯涌出量平均4.63 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量平均3.14 m3/min，占67.82%，高位抽采瓦斯量平均1.26 m3/min，占27.21%，上隅角插管抽采瓦斯量平均0.23 m3/min，占4.97%，計算相對瓦斯涌出量3.54 m3/t。在僅3個定向高位孔連抽的狀態(tài)下，高位抽采純量仍保持1 m3/min左右，且單孔最高瓦斯抽采濃度達到82%，平均瓦斯抽采濃度28.4%，定向高位抽采瓦斯實現(xiàn)抽采利用。工作面回采期間風(fēng)流瓦斯涌出量持續(xù)保持平穩(wěn)，有效保證了3906綜放工作面的安全、高效回采。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)理論計算結(jié)論并結(jié)合巖層控制的關(guān)鍵層理論，分析確定采空區(qū)高位抽采合理層位為距煤層頂板40.1～51.4 m的砂巖、粉砂巖層位，以及距煤層頂板12.8 m穩(wěn)定厚泥巖下方位置。

（2）對比分析鉆孔實際抽采濃度隨高位鉆孔平距、垂距分布情況，確定工作面高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛戎饕茔@孔層位影響（距煤層頂板垂距），且瓦斯抽采濃度沿垂向分布規(guī)律與理論分析吻合。

（3）定向高位鉆孔相較常規(guī)斜向高位孔，采空區(qū)瓦斯抽采連續(xù)、穩(wěn)定、可利用，鉆孔抽采純量占比達到工作面總瓦斯涌出量的27.21%，有效保證了3906綜放工作面的安全、高效回采。