頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在孟津煤礦三軟突出煤層中的研究與應(yīng)用

王 迪

（河南能源孟津煤礦有限責(zé)任公司）

在煤礦采煤工作面回采過(guò)程中，由于受到采動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層容易出現(xiàn)變形，形成大量微小裂隙［1］，這些裂隙在不斷擴(kuò)張，貫通后成為瓦斯運(yùn)移的通道，臨近層的瓦斯通過(guò)這些裂隙不斷向采空區(qū)涌出，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，?yán)重制約了礦井高產(chǎn)高效發(fā)展［2］。針對(duì)這種情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用在采煤工作面布置頂板走向高位鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放［3］。通過(guò)實(shí)踐，頂板走向鉆孔終孔位置精準(zhǔn)，抽采有效期長(zhǎng)以及抽采濃度高，成為了目前治理采空區(qū)瓦斯最有效的技術(shù)之一［4］。

孟津煤礦所處井田位于河南省洛陽(yáng)市孟津縣境內(nèi)，屬于典型的豫西三軟突出煤層［5］。礦井主采二1煤層，煤層原始瓦斯最大含量為16.37 m3/t，瓦斯壓力最大值為3.1 MPa，災(zāi)害治理工程量較大。孟津煤礦11010 工作面在回采過(guò)程中，由于采空區(qū)上覆巖層受到采動(dòng)影響，出現(xiàn)裂隙，臨近煤層大量瓦斯通過(guò)裂隙進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)［6］，造成采空區(qū)內(nèi)瓦斯始終處于高濃度狀態(tài)，嚴(yán)重影響了工作面的推進(jìn)速度，制約了礦井的高產(chǎn)高效發(fā)展［7］。為解決采空區(qū)內(nèi)瓦斯聚集的問(wèn)題，孟津煤礦在采煤工作面回風(fēng)順槽布置頂板走向高位鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，以解決采空區(qū)瓦斯聚集的問(wèn)題［8-9］。

1 11010工作面概況

孟津煤礦11010 工作面位于礦井副井東北側(cè)，開(kāi)采二1煤層，煤層厚度3.02 m，北側(cè)為原11011采空區(qū)保護(hù)煤柱，南側(cè)位于工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，西側(cè)為采區(qū)實(shí)煤體，東鄰11030 工作面，上部賦存二2 煤層未開(kāi)采。工作面原始瓦斯含量為7.62～8.95 m3/t，原始瓦斯壓力為0～1.5 MPa，瓦斯放散初速度ΔP在10.5～24.0 mL/s。

2 頂板走向高位鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面實(shí)際，在工作面回風(fēng)順槽距工作面60 和105 m 位置分別施工1 個(gè)高位鉆場(chǎng)。高位鉆孔設(shè)計(jì)如下。

11010 工作面軌道順槽1#鉆場(chǎng)距離切眼60 m，鉆場(chǎng)內(nèi)共設(shè)計(jì)2排6個(gè)高位鉆孔，其中1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上30 m，2#、4#、6#鉆孔控制煤層頂板以上20 m。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

11010 工作面軌道順槽2#鉆場(chǎng)距離1#鉆場(chǎng)45 m，鉆場(chǎng)內(nèi)共設(shè)計(jì)2排6個(gè)高位鉆孔，其中1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上40 m，2#、4#、6#鉆孔控制煤層頂板以上30 m。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2。

3 頂板走向高位鉆孔的施工情況及抽采分析

3.1 1#鉆場(chǎng)的施工情況

11010 工作面軌道順槽1#鉆場(chǎng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工到位并進(jìn)行封孔連管帶抽。鉆孔施工完畢后繪制鉆孔竣工圖，見(jiàn)圖1。

3.2 1#鉆場(chǎng)高位鉆孔抽采濃度分析

定期測(cè)量1#鉆場(chǎng)的1#～6#高位鉆孔濃度，記錄工作面推進(jìn)距離與各孔瓦斯抽采濃度等情況。11010工作面1#鉆場(chǎng)單孔抽采濃度變化曲線見(jiàn)圖2。

結(jié)合圖1、圖2 可以看出：1#鉆孔始抽濃度為2.7%，平均抽采濃度為8.29%，在工作面回采到31.6～37.4 m 位置（距離煤層頂板14.2～17.7 m）時(shí)，抽采濃度為20%～50%，回采到43.4 m 位置抽采濃度降低為2.4%；2#鉆孔始抽濃度為0.4%，平均抽采濃度為1.5%；3#鉆孔始抽濃度為7.3%，平均抽采濃度為14.44%，終孔點(diǎn)距離巷幫22.1 m，在工作面回采到22～43.4 m位置（距離煤層頂板9.7～21.5 m）時(shí)，抽采濃度為15%～60%，回采到47.1 m 位置抽采濃度降低為1.6%；4#鉆孔始抽濃度為15%，平均抽采濃度為6.41%，終孔點(diǎn)距離巷幫20.7 m；5#鉆孔始抽濃度為4.6%，平均抽采濃度為19.63%，在工作面回采到26.2～37.4 m 位置（距離煤層頂板11.3～16.7 m）時(shí)，抽采濃度為41%～82%，回采到47.1 m 位置抽采濃度降低為0.7%；6#鉆孔始抽濃度為31%，平均抽采濃度為15.85%，終孔點(diǎn)距離巷幫39.5 m，在工作面回采到0～13.9 m位置（距離煤層頂板11.3～13.5 m）時(shí)，抽采濃度為28%～51%，回采到31.6 m 位置抽采濃度降低為0.6%。

（1）通過(guò)1#鉆場(chǎng)高位鉆孔竣工圖發(fā)現(xiàn)，所施工的6 個(gè)高位鉆孔中，1#、3#、5#鉆孔終孔位于煤層頂板30～31 m 處，2#、4#、6#鉆孔終孔位于煤層頂板19～20 m 處。1#、2#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距5 m 左右，3#、4#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距為21 m 左右，5#、6#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距為40 m左右。

（2）11010 工作面7 月12 日初次來(lái)壓（回采21 m），此時(shí)1#、3#、5#鉆孔抽采濃度均呈上升趨勢(shì)，回采到22～37.4 m，1#鉆孔抽采濃度由0.5%提升至50%（距離煤層頂板14.2～17.7 m），3#鉆孔抽采濃度由2.5%提升至32%（距離煤層頂板16.2～21.5 m），5#鉆孔抽采濃度由0.8% 提升至82%（距離煤層頂板11.3～16.7 m）。2#、4#抽采濃度則相對(duì)較為平穩(wěn)，6#鉆孔則呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)。

（3）2#鉆孔平均瓦斯抽采濃度1.5%，4#鉆孔平均瓦斯抽采濃度6.41%，6#鉆孔平均瓦斯抽采濃度15.85%，說(shuō)明隨著采空區(qū)頂板冒落，應(yīng)力傳導(dǎo)下，2#、4#、6#鉆孔處裂隙初步發(fā)育；距軌道順槽最近的2#孔濃度最低，距軌道順槽最遠(yuǎn)的6#孔濃度最高，正好說(shuō)明了頂板冒落的順序是從工作面中部開(kāi)始向兩側(cè)發(fā)展的。

（4）1#鉆場(chǎng)高位鉆孔控制范圍煤厚5 m 左右，結(jié)合竣工圖中鉆孔位置以及我國(guó)冒落帶總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式［5］（3～4 倍采高）推斷：2#、4#、6#鉆孔終孔未進(jìn)入裂隙帶，鉆孔終孔處在冒落帶中上部，難以抽出高濃度瓦斯。頂板裂隙帶高度：中硬巖石H=20×∑M0.5+10（式中，H為裂隙帶高度，m；∑M0.5為累計(jì)采厚，m），較軟巖石H=10×∑M0.5+5，裂隙帶高度在27.4～54.8 m，實(shí)際施工與之基本吻合。瓦斯抽采濃度較高區(qū)域?yàn)椴筛?～7 倍，則27～40 m（采高5～7 倍）應(yīng)為裂隙帶高度。

3.3 2#鉆場(chǎng)的施工情況

11010 工作面軌道順槽2#鉆場(chǎng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工到位并進(jìn)行封孔連管帶抽。鉆孔施工完畢后繪制鉆孔竣工圖，見(jiàn)圖3。

3.4 2#鉆場(chǎng)高位鉆孔抽采濃度分析

2#鉆場(chǎng)的1#～6#高位鉆孔定期測(cè)量每個(gè)高位孔濃度，記錄工作面推進(jìn)距離與各孔瓦斯抽采濃度等情況。11010 工作面2#鉆場(chǎng)高位孔竣工圖及單孔抽采濃度變化曲線見(jiàn)圖4。

通過(guò)圖3 及圖4 可以看出：1#鉆孔始抽濃度為0.9%，平均抽采濃度為0.74%，終孔點(diǎn)距離巷幫5.5 m。2#鉆孔始抽濃度為1.3%，平均抽采濃度為21.24%，終孔點(diǎn)距離巷幫5.5 m，在工作面回采到58.4～64.3 m 位置（距離煤層頂板15～18 m）時(shí)，抽采濃度為43%～55%，回采到68 m 位置抽采濃度降低為1.6%。3#鉆孔始抽濃度為6.7%，平均抽采濃度11.18%，終孔點(diǎn)距離巷幫20.5 m，在工作面回采到68 m 位置（距離煤層頂板32.1 m）時(shí)，抽采濃度為48%。4#鉆孔始抽濃度14%，平均抽采濃度39.4%，終孔點(diǎn)距離巷幫20.5 m，在工作面回采到52.5～68 m 位置（距離煤層頂板13.8～23.2 m）時(shí)，抽采濃度為30%～67%。5#孔始抽濃度1.2%，平均抽采濃度5.06%，瓦斯抽采濃度較小，且起伏變化不大，終孔點(diǎn)距離巷幫35.7 m。6#孔始抽濃度1.2%，平均抽采濃度2.26%，瓦斯抽采濃度較小，且起伏變化不大，終孔點(diǎn)距離巷幫35.5 m。

（1）通過(guò)2#鉆場(chǎng)高位鉆孔竣工圖發(fā)現(xiàn)，所施工的6 個(gè)高位鉆孔中，1#、3#、5#鉆孔終孔位于煤層頂板40～41 m 處，2#、4#、6#鉆孔終孔位于煤層頂板29～31 m 處。1#、2#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距5.5 m 左右，3#、4#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距為20.5 m左右，5#、6#鉆孔終孔點(diǎn)與軌道順槽巷幫平距為35.5 m左右。

（2）11010 工作面7 月31 日周期來(lái)壓（回采52.5 m），此時(shí)2#、4#鉆孔抽采濃度均呈上升趨勢(shì)，回采到52.5～68 m，2#鉆孔抽采濃度由5.3%提升至55%（距離煤層頂板15～20.3 m），4#鉆孔抽采濃度由30%提升至67%（距離煤層頂板13.8～21 m），頂板來(lái)壓使得裂隙貫穿，造成瓦斯抽采濃度提高。1#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采濃度較小，起伏變化不大，3#鉆孔在回采至68 m時(shí)，抽采濃度由0.6%提升至48%。

（3）通過(guò)竣工圖及鉆孔抽采變化曲線發(fā)現(xiàn)1#、3#、5#鉆孔控制煤層頂板以上40 m 位置時(shí)，抽采效果相對(duì)較差，2#、4#鉆孔控制煤層頂板以上30 m 位置時(shí)，則抽采效果較好。結(jié)合1#鉆場(chǎng)竣工圖及抽采濃度變化曲線可以看出，該礦裂隙帶高度為27～35 m（采高5～6倍）抽采效果較好。

4 結(jié) 論

（1）1#鉆場(chǎng)1#、3#、5#高位鉆孔控制煤層頂板以上30 m 時(shí)抽采效果較好，2#鉆場(chǎng)2#、4#、6#高位鉆孔控制煤層頂板以上30 m 時(shí)抽采效果較好，通過(guò)1#、2#鉆場(chǎng)抽采情況結(jié)合裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式，孟津煤礦裂隙帶高度應(yīng)在27～35 m（采高5～6 倍）。因此，后續(xù)施工高位鉆孔時(shí)，可將鉆孔終孔點(diǎn)布置在距煤層頂板25 和35 m處，進(jìn)一步確定采空區(qū)瓦斯“三帶”高度。

（2）11010 工作面在經(jīng)過(guò)頂板走向高位鉆孔的施工后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆抵?.22%～0.32%，有效降低了采空區(qū)瓦斯對(duì)工作面推進(jìn)的影響。

（3）1#鉆場(chǎng)2#鉆孔平均瓦斯抽采濃度1.5%，4#鉆孔平均瓦斯抽采濃度6.41%，6#鉆孔平均瓦斯抽采濃度15.85%，說(shuō)明隨著采空區(qū)頂板冒落，應(yīng)力傳導(dǎo)下，2#、4#、6#鉆孔處裂隙發(fā)育；距軌道順槽最近的2#孔濃度最低，距軌道順槽最遠(yuǎn)的6#孔濃度最高，正好說(shuō)明了頂板冒落的順序是從工作面中部開(kāi)始向兩側(cè)發(fā)展的。