頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯效果分析

李江平

（山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

煤礦回采工作面瓦斯治理一直是高瓦斯礦井的技術(shù)難題，是制約回采工作面安全、產(chǎn)量、推進(jìn)速度的主要因素之一[1-3]?；夭晒ぷ髅嫱咚怪卫硇Ч患阎饕憩F(xiàn)在工作面瓦斯涌出量大、 風(fēng)排瓦斯量偏高、采空區(qū)瓦斯積聚、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕叩确矫?。工作面瓦斯涌出量主要受煤層賦存、瓦斯含量、推進(jìn)速度等因素影響。采空區(qū)瓦斯積聚會造成大量瓦斯向回采工作面涌出，導(dǎo)致工作面、 回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕摺Ｒ虼?，一般采取頂板高位裂隙鉆孔抽放、回風(fēng)隅角埋管抽放等瓦斯治理措施。回風(fēng)隅角埋管瓦斯抽采因存在密閉不嚴(yán)、 管路抽放負(fù)壓大及抽放濃度低等缺點(diǎn)[4-6]，不能完全解決工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛雀叩膯栴}，需配以頂板高位裂隙鉆孔抽放措施，解決采空區(qū)瓦斯積聚問題。頂板高位裂隙鉆孔目前采取的主要方式有頂板高抽巷鉆孔抽采和頂板高位定向鉆孔抽采。頂板高抽巷鉆孔存在巷道工程量大、鉆孔深度淺等缺陷，隨著施鉆裝備及技術(shù)的發(fā)展，千米定向鉆機(jī)已逐步進(jìn)入煤礦，該類鉆機(jī)施工的鉆孔深度可達(dá)1 000 m 左右，覆蓋范圍廣，鉆孔軌跡可控，有利于鉆孔層位布置，在煤礦頂板高位定向鉆孔、以鉆帶巷方面取得較好效果[7]。本文以王莊煤礦23051 工作面瓦斯治理為例，通過對工作面頂板高位定向鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì)及抽采效果分析，解決該工作面瓦斯超限問題。

1 工作面概況

王莊煤礦屬高瓦斯礦井，該礦23051 工作面位于礦井東部的23 采區(qū)中部，工作面走向長度1 356 m，傾向長度127 m，采用綜合機(jī)械化采煤，主采3 號煤層，煤層均厚3.2 m，直接頂為粉砂巖，厚度7.3～14.5 m，硬度系數(shù)5.7，基本頂（老頂）為中粒砂巖，厚度8.9～15.4 m。煤層原始瓦斯含量最高達(dá)12.7 m3/t，采用穿層鉆孔預(yù)抽后煤層瓦斯含量最高為5.6 m3/t?；夭善陂g采用回風(fēng)隅角埋管抽放+ 高抽巷仰角頂板鉆孔抽采治理采空區(qū)瓦斯?；夭善陂g回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.7%左右，回風(fēng)隅角常受瓦斯超限威脅，嚴(yán)重影響工作面正?；夭?。經(jīng)分析，瓦斯治理效果差原因?yàn)楦叱橄镅鼋琼敯宄椴摄@孔有效抽采段較短，抽采區(qū)域存在盲區(qū)，抽采效果差，因此決定采用千米鉆機(jī)施工頂板高位定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。

2 頂板高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 頂板高位定向鉆孔抽采原理

工作面采用自然垮落法回采期間，采空區(qū)頂板垮落后從下至上可分為垮落帶、 裂隙帶和彎曲下沉帶。由于通風(fēng)不良，采空區(qū)瓦斯會聚積在垮落帶頂部及頂板裂隙帶內(nèi)[3]如圖1所示。通過在距回采工作面數(shù)百米外，采用千米鉆機(jī)沿頂板穿層施工鉆孔至裂隙帶層位后，沿該層位施工頂板高位定向瓦斯抽采長鉆孔。成孔后通過抽放管路連接負(fù)壓抽放系統(tǒng)，工作面回采至鉆孔覆蓋區(qū)域后，因裂隙帶內(nèi)鉆孔未受較大損壞，且裂隙帶具有較好的透氣性，可通過鉆孔將裂隙帶及垮落帶內(nèi)的高濃度瓦斯抽放出來，從而降低采空區(qū)瓦斯積聚濃度，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯治理。

圖1 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

（1）鉆孔水平位置及深度設(shè)計(jì)

頂板裂隙帶內(nèi)鉆孔有效抽采半徑為5 m，故設(shè)計(jì)鉆孔水平間距為10 m。根據(jù)通風(fēng)負(fù)壓對采空區(qū)瓦斯分布影響，靠近回風(fēng)側(cè)采空區(qū)瓦斯?jié)舛绕?，故將施鉆位置布置在23051 工作面回風(fēng)巷，并將頂板高位定向鉆孔集中布置在工作面上段。為保證靠近回風(fēng)隅角處頂板裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽采，將1號孔設(shè)計(jì)水平位置為距23051 回風(fēng)巷5 m。根據(jù)煤層賦存情況，為便于鉆孔層位控制，將鉆孔抽采有效段長度控制在500 m。鉆孔水平位置及深度設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 鉆孔水平位置及深度設(shè)計(jì)

（2）鉆孔豎向?qū)游辉O(shè)計(jì)

為確保頂板高位定向鉆孔具有較高的瓦斯抽放量，需保證鉆孔施工層位盡量全部布置在裂隙帶層位內(nèi)，鉆孔層位過低則處于垮落帶內(nèi)，抽采期間鉆孔易發(fā)生塌孔、封堵導(dǎo)致抽放流量低，且垮落帶內(nèi)高負(fù)壓抽放期間進(jìn)入大量空氣，導(dǎo)致瓦斯抽采效率低。鉆孔層位過高則進(jìn)入彎曲下沉帶，該層位中巖層裂隙發(fā)育較少，透氣性較差，無法發(fā)揮負(fù)壓抽放最大效率。故計(jì)算頂板裂隙帶層位及厚度對頂板高位定向鉆孔的布置及瓦斯抽采效果至關(guān)重要。

根據(jù)23051 工作面回采高度并結(jié)合礦井地質(zhì)條件分析，頂板垮落及下沉規(guī)律為：垮落帶為工作面采高的2～3 倍，則垮落帶高度為7～10.5 m，裂隙帶為工作面采高的4～7 倍，則裂隙帶高度為14～24.5 m。為充分保證鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)，鉆孔豎向?qū)游辉O(shè)計(jì)為15～22 m。根據(jù)采空區(qū)頂板垮落“O”型圈理論，靠近工作面兩側(cè)的頂板裂隙帶位置偏低，工作面中段裂隙帶位置偏高，將1#孔豎向位置設(shè)計(jì)為距煤層15 m，2#、5#鉆孔豎向位置設(shè)計(jì)為距煤層20 m，3#、4#鉆孔豎向位置設(shè)計(jì)為距煤層22 m。鉆孔豎向位置布置如圖3所示。

圖3 鉆孔豎向位置布置

（3）鉆孔孔徑選擇

根據(jù)采空區(qū)頂板垮落“O”型圈理論及瓦斯分布流場理論，對不同頂板高位定向鉆孔孔徑進(jìn)行優(yōu)化選擇，保證鉆孔瓦斯抽采量及濃度達(dá)到最佳效果。23051 工作面預(yù)測瓦斯絕對涌出量為17～24 m3/min，巷道風(fēng)排量不得大于5 m3/min，回風(fēng)隅角瓦斯抽采純量不得大于6 m3/min，則頂板高位定向鉆孔需抽采的瓦斯純量為13 m3/min，5 個鉆孔抽采濃度按照18%計(jì)算，鉆孔抽采總流量需72 m3/min。礦井瓦斯抽采系統(tǒng)抽采負(fù)壓為15 kPa，根據(jù)鉆孔位置，設(shè)計(jì)1、2、3 號孔孔徑為203 mm，4 號鉆孔孔徑165 mm，5 號鉆孔孔徑120 mm。

3 施鉆方案及實(shí)施

3.1 施鉆設(shè)備

頂板高位定向鉆孔采用ZYL-17000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)、BLY390/12型泥漿泵車、 配套YSX15礦用隨鉆測量系統(tǒng)、Φ89 mm四級螺桿馬達(dá)、硬巖定向鉆進(jìn)用PDC鉆頭和塔式組合擴(kuò)孔鉆頭等裝備，鉆孔鉆進(jìn)期間可隨鉆測量鉆孔深度、傾角、方位參數(shù)等并形成鉆孔軌跡，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

3.2 鉆孔施工情況

以23051 工作面已完成的第一個抽采循環(huán)的頂板高位定向鉆孔為例，第一個抽采循環(huán)為1 號千米鉆機(jī)鉆場內(nèi)施工的5 個頂板高位定向鉆孔，鉆孔施工總工期為36 d，6月1日開始施工，7月6日完工，鉆孔總工程量2 951 m。其中，有效抽采段鉆孔工程量2 500 m。5 個鉆孔軌跡剖面如圖4所示。

圖4 23051 頂板高位定向鉆孔第一循環(huán)鉆孔軌跡剖面

4 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果分析

23051 工作面第一個循環(huán)頂板高位定向鉆孔施工完畢后，統(tǒng)一連接負(fù)壓抽采系統(tǒng)，23051 工作面開始回采至老頂初次來壓后，統(tǒng)一實(shí)施抽采，并對抽采期間各個鉆孔的抽采混合量、瓦斯純量、瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采樣統(tǒng)計(jì)，同時記錄抽采期間工作面回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛茸兓闆r。各個鉆孔為期13 d 的抽采參數(shù)變化曲線如圖5～圖9所示，工作面回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖10 所示。

圖5 1 號頂板高位定向鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖6 2 號頂板高位定向鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖7 3 號頂板高位定向鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖8 4 號頂板高位定向鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖9 5 號頂板高位定向鉆孔抽采參數(shù)變化曲線

圖10 高位定向鉆孔瓦斯抽采純量與回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

根據(jù)圖5～圖9可以看出，抽采期間頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采濃度在15%～23%之間，抽采混合量在11～23 m3/min 之間；單孔最高瓦斯抽采純量為5.2 m3/min，平均瓦斯抽采純量為3.5 m3/min；5 個鉆孔共計(jì)瓦斯抽采純量為17.5 m3/min，瓦斯抽采純量大于13 m3/min，已達(dá)到鉆孔設(shè)計(jì)要求。工作面回采觀測期間，絕對瓦斯涌出量平均值為23.7 m3/min，據(jù)此計(jì)算，頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采比重達(dá)到73%。

根據(jù)圖10 分析，工作面回采初期，頂板垮落不充分，頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采純量相對較低，回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛葹?.5%。隨著工作面推進(jìn)，頂板逐步充分垮落后，位于裂隙帶內(nèi)的頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采純量逐步增加，回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛纫搽S之降低，后期已基本穩(wěn)定在0.4%，工作面安全回采得到保障。

5 結(jié)語

通過對王莊煤礦23051 工作面采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采后，彌補(bǔ)了高抽巷巷道工程量大、 鉆孔深度淺及瓦斯抽采效果差等缺陷，在頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采下，回風(fēng)隅角最高瓦斯?jié)舛扔?.7%下降至0.4%，頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采在瓦斯治理中比重達(dá)到73%，成為工作面瓦斯治理主要措施，保障了工作面安全生產(chǎn)。