定向長(zhǎng)鉆孔在李雅莊礦工作面瓦斯抽采中應(yīng)用

崔 猛

（霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

國(guó)家礦山安全監(jiān)察局公布的2020年全國(guó)煤礦事故十大典型案例中有3起瓦斯事故，分別為陜西韓城燎原煤業(yè)“6·10”煤與瓦斯突出事故，山西潞安阜生煤業(yè)“10·20”瓦斯爆炸事故、陜西喬子梁煤業(yè)“11·4”煤與瓦斯突出事故。這三起瓦斯事故均造成了人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。可見(jiàn)，瓦斯事故仍然是礦井面臨最嚴(yán)峻的安全問(wèn)題之一[4-5]。李雅莊礦屬于高瓦斯礦井，回采期間礦井瓦斯絕對(duì)涌出量可達(dá)30 m3/min以上，回采前需對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，以保證工作面的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

2-613工作面位于六采區(qū)上部前進(jìn)方向右翼，東部為2-611工作面（已回采），西部為落差為48 m的F12正斷層，開(kāi)采標(biāo)高+100～+540 m。工作面走向長(zhǎng)度1 600 m，傾向長(zhǎng)度200 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝，全部垮落法管理頂板，日產(chǎn)量3 000 t。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大于20 m3/min，配風(fēng)量為2 235 m3/min。礦井1#和2#煤層合并開(kāi)采，工作面主采2#煤層，煤層平均厚度3.4 m，平均傾角8°。煤層頂板為粉砂巖或中砂巖，底板為灰色細(xì)砂巖或粉砂巖，均屬于堅(jiān)硬巖層，對(duì)鉆孔施工影響較大。工作面復(fù)合型頂板及高地應(yīng)力對(duì)頂板短鉆孔抽采瓦斯影響較大，而定向高位長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，抽采效果更優(yōu)。

2 鉆孔設(shè)計(jì)

2.1 “三帶”高度確定

2-613工作面回采覆巖穩(wěn)定后采空區(qū)頂板形成“三帶”，由于頂板為粉砂巖或中砂巖等巖層強(qiáng)度大，需要采用堅(jiān)硬頂板的計(jì)算公式測(cè)算覆巖冒落帶、裂隙帶高度[6-7]。

冒落帶：

裂隙帶：

根據(jù)工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，工作面布置高位鉆孔高度Hz應(yīng)當(dāng)布置在裂隙帶中，且不大于裂隙帶最大高度，即：

將M=3.4 m代入公式可知：

Hm=12～17 m，Hl=23～37 m

則高位鉆孔高度Hz為：

17 m﹤Hz﹤37 m

由于鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)距頂板8 m，布置的高位鉆孔終孔高度在工作面裂隙帶25～42 m區(qū)域。

2.2 鉆孔布置

覆巖形成“三帶”后，隨著工作面回采，覆巖裂隙帶逐步向上部擴(kuò)展，隨著時(shí)間推移，巖層垮落逐步壓實(shí)采空區(qū)，垮落的巖層裂隙與覆巖裂隙帶連接，形成整體連通的裂隙發(fā)育帶[7]。定向長(zhǎng)距離鉆孔抽采瓦斯就是利用連通的裂隙抽采采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯。

根據(jù)2-613工作面地質(zhì)條件，將高位鉆孔布置在回風(fēng)巷一側(cè)頂板砂巖中，鉆孔距巷道中線平距不大于15 m，鉆孔間距不大于12 m。

在2-613工作面裂隙帶共布置6組鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，每組鉆孔參數(shù)一致。以1號(hào)鉆場(chǎng)為例，3個(gè)鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 1號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)

采用ZYWL－6000DS型定向鉆機(jī)依次打鉆，鉆孔軌跡如圖1所示。

圖1 1號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔軌跡

2.3 鉆孔施工

按照設(shè)計(jì)參數(shù)在2-613工作面開(kāi)始鉆孔施工，共耗時(shí)70天，施工總進(jìn)尺1 520 m，最大孔深505 m。

3 抽采效果分析

2-613工作面采用高位長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)、回風(fēng)隅角積聚瓦斯，1號(hào)鉆場(chǎng)3個(gè)鉆孔抽采情況如圖2所示。

圖2 1號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采情況

由圖2可知，1號(hào)鉆場(chǎng)中1#、2#鉆孔瓦斯抽采量為15～20 m3/min以上，3#鉆孔抽采量為5～10 m3/min，主要原因是由于3#鉆孔層位較高，位于覆巖裂隙帶上部。根據(jù)抽采量結(jié)果可知，長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量高于頂板短鉆孔抽采瓦斯量（6 m3/min）。瓦斯抽采濃度方面，1#鉆孔抽采濃度位于7%～14%之間，3#鉆孔抽采濃度位于10%～15%之間，2#鉆孔由于在施工過(guò)程中打到頂板支護(hù)的錨索，造成漏氣，其抽采濃度位于5%～7%之間。根據(jù)抽采濃度可知，長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采量高于頂板短鉆孔抽采瓦斯?jié)舛龋?%～10%之間）。

通過(guò)分析2-613工作面瓦斯抽采情況可知，1#鉆場(chǎng)瓦斯抽采量平均在3.5 m3/min左右，高于頂板短鉆孔抽采瓦斯量（平均在2 m3/min左右），高位長(zhǎng)鉆孔抽采量相較于頂板短鉆孔抽采瓦斯提高了75%；高位長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采后，監(jiān)測(cè)得到工作面回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.2%～0.25%間、0.4%～0.5%間，低于采用頂板短鉆孔抽采瓦斯后回風(fēng)巷（0.25%～0.3%）、回風(fēng)隅角（0.4%～0.6%）瓦斯?jié)舛?。由此可知，工作面采用高位長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯效果較好。

4 終孔高度影響抽采效果分析

2-613工作面高位鉆孔終孔位于不同層位時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 鉆孔不同抽采層位瓦斯?jié)舛?/p>

由圖3可知，鉆孔層位位于28 m、36 m、42 m時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛榷茧S著時(shí)間而逐漸降低，但可以看出當(dāng)鉆孔層位位于36 m時(shí)，抽采的瓦斯?jié)舛茸罡?。因此?-613工作面采用高位鉆孔時(shí)，鉆孔層位位于36 m抽采效果最優(yōu)。

5 效益分析

2-613工作面回采500 m時(shí)，采用高位長(zhǎng)鉆孔施工時(shí)需布置3個(gè)鉆孔，孔長(zhǎng)為500 m，總施工量為1 500 m；而采用頂板短鉆孔抽采瓦斯時(shí)，需布置10個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，孔長(zhǎng)為100 m，總施工量為3 000 m，采用高位長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯工程量相對(duì)頂板短鉆孔抽采瓦斯減少一半。

高位長(zhǎng)鉆孔每個(gè)鉆孔施工周期為10d，回采500 m時(shí)需布置3個(gè)鉆孔，總施工周期為30d；頂板短鉆孔抽采瓦斯每個(gè)鉆孔施工周期為2d，需布置10個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，總施工周期為60d，采用高位長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯施工時(shí)間相對(duì)普通鉆孔減少一半。

在鉆孔施工過(guò)程中，由于施工設(shè)備和地質(zhì)條件影響，會(huì)出現(xiàn)無(wú)效進(jìn)尺。高位鉆孔施工完成總無(wú)效進(jìn)尺為150 m，占總施工長(zhǎng)度的10%；頂板短鉆孔抽采瓦斯施工完成總無(wú)效進(jìn)尺為1 200 m，占總施工長(zhǎng)度的40%，采用高位鉆孔抽放瓦斯相對(duì)頂板短鉆孔抽采瓦斯無(wú)效進(jìn)尺明顯減小。

6 結(jié)論

1）以2-613工作面為研究對(duì)象，提出采用高位定向長(zhǎng)鉆孔抽放采空區(qū)和回風(fēng)隅角積聚瓦斯。結(jié)合工作面地質(zhì)條件，確定鉆孔位置位于裂隙帶25～37 m范圍內(nèi)，孔距不大于12 m。在工作面裂隙帶共布置6組鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，通過(guò)監(jiān)測(cè)可知，采用定向長(zhǎng)鉆孔相對(duì)于頂板短鉆孔抽采瓦斯瓦斯抽放混合量和純量有了明顯提高，工作面回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@降低。通過(guò)分析鉆孔位于28 m、36 m、42 m層位時(shí)2-613工作面瓦斯?jié)舛?，得到鉆孔層位位于36 m抽采效果最優(yōu)。

2）通過(guò)對(duì)比高位長(zhǎng)鉆孔和頂板短鉆孔抽采瓦斯在鉆孔工程量、施工周期和無(wú)效進(jìn)尺的數(shù)量，得到采用高位長(zhǎng)鉆孔工程量和施工周期減少一半，無(wú)效進(jìn)尺少。由此可知，采用高位長(zhǎng)鉆孔不僅瓦斯抽采效果更優(yōu)，而且能夠減少無(wú)效鉆孔量，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。