高位定向長鉆孔抽采上隅角瓦斯技術(shù)實(shí)踐研究

徐立鵬，劉會泉，陳志勇

(1.陜西省渭南市白水縣煤炭局，陜西 渭南 714000；2.韓城市棗莊實(shí)業(yè)有限公司，陜西 韓城 715400；3.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

對于U 型通風(fēng)方式的采煤工作面，上隅角極易形成瓦斯積聚區(qū)，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)，該問題一直是煤礦瓦斯治理的難題，也是當(dāng)前工作面高產(chǎn)高效研究的熱點(diǎn)。采空區(qū)埋管瓦斯抽采方法簡單，但由于支架間漏風(fēng)量大，抽采效果較差；傳統(tǒng)高位普通鉆孔有效抽采時間較短，布置鉆孔較多，工程量較大，經(jīng)濟(jì)效能較低。近年來，煤礦井下定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)取得長足進(jìn)展，許多煤礦將定向長鉆孔抽采技術(shù)運(yùn)用到上隅角瓦斯治理中，取得了顯著成效。許石青等人利用數(shù)值模擬和理論計算的方法優(yōu)化高位鉆孔布置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向抽采采空區(qū)瓦斯。張亞潮等人提出的“高位定向鉆孔與上隅角邁步式埋管抽采模式”，可以有效解決上隅角瓦斯超限問題，保障采煤工作面安全回采。桑北煤礦11308綜放工作面煤層厚約5m，回采過程中采空區(qū)頂板上覆巖層應(yīng)力重新分布過程中形成大量裂隙通道，鄰近煤層直接向采空區(qū)釋放瓦斯，易引起上隅角瓦斯超限，瓦斯防治任務(wù)艱巨。因此，桑北煤礦將利用高位定向長鉆孔抽采技術(shù)治理上隅角瓦斯，確保11308 工作面順利回采。

1 試驗(yàn)工作面概況

桑北煤礦系民營股份制企業(yè)，由陜西黃河礦業(yè)有限責(zé)任公司牽頭整合韓城礦區(qū)12 家私人煤礦企業(yè)的新建煤礦，為突出礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力1.20Mt/a，主采3#煤層，2#煤層局部可采。

11308 工作面為礦井首采工作面，工作面位于礦井東南部，11 采區(qū)南翼，四鄰無采掘工作面，四周皆為實(shí)體煤，工作面采用走向長壁后退式采煤法，放頂煤開采，自然垮落法管理頂板。工作面走向長1625m，傾斜長189m，平均煤厚5m，原始瓦斯含量3.49~14.29m3/t。煤層含1層夾矸，夾矸厚度在100mm 左右，工作面煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤質(zhì)變化小，以貧煤為主，少許無煙煤，屬穩(wěn)定型煤層。工作面兩順槽、回采區(qū)域分別采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施?；夭善陂g擬采用高位定向長鉆孔抽采、采空區(qū)埋管抽采等措施治理上隅角瓦斯。

2 高位定向長鉆孔設(shè)計

2.1 鉆孔設(shè)計依據(jù)

工作面回采后，采空區(qū)巖層逐漸垮落，煤層頂板的裂隙帶會發(fā)育大量的縫隙，為瓦斯運(yùn)移提供了通道。根據(jù)頂板巖層“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)，將定向長鉆孔布置在裂隙帶及附近區(qū)域，將會顯著提高抽采效果。

2.1.1 綜放工作面垮落高度范圍計算

工作面回采后，隨著關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層的斷裂，上覆巖層冒落逐漸將采空區(qū)填滿，填滿后的巖石厚度即為冒落帶的高度，計算公式如下：

式中，H1 為垮落帶高度，m；M 為煤層采高，M=5.0m；K 為巖石碎脹系數(shù)，參照表1，K 取1.25(3#煤層直接頂巖性以泥巖為主，厚度0.93~15.98m，其次為粉砂巖及細(xì)砂巖，層狀結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育。其中泥巖飽和抗壓強(qiáng)度5.64~59.42MPa，平均20.55MPa，α 為巖層傾角，α=5°。

表1 巖石碎脹系數(shù)表

由（1）式可計算出11308 工作面冒落帶高度為17.6~22.6m。

2.1.2 綜放工作面裂隙高度范圍計算

采空區(qū)冒落帶垮落后，上覆巖層受到節(jié)理裂隙的切割，在自重壓力作用下內(nèi)部裂隙張開、貫通，造成整體結(jié)構(gòu)破壞而形成裂縫帶，根據(jù)公式（2）可以計算出工作面裂縫帶高度H2。

由式（2）計算出11398 工作面裂隙帶高度范圍為21.5~52.5m；結(jié)合冒落帶理論高度，初步確定11308 工作面裂隙帶理論高度為22.6~52.5m。

2.2 鉆孔設(shè)計

高位定向鉆孔鉆場布設(shè)于11308 回風(fēng)順槽距離切眼630m 處，鉆場內(nèi)布置6個頂板走向長鉆孔，單孔深500m，鉆孔孔徑165mm；水平終孔間距8m，鉆孔終孔距11308 回風(fēng)順槽水平距離10~50m，鉆孔終孔層位距3#煤頂板30m 左右，鉆孔工程量3035m。鉆孔設(shè)計如圖1 所示，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表2。

圖1 定向高位鉆孔設(shè)計示意圖

表2 定向高位鉆孔設(shè)計參數(shù)表

3 高位定向長鉆孔施工及效果分析

3.1 鉆孔施工情況

鉆孔采用ZYL-15000D 型定向鉆機(jī)施工，鉆進(jìn)過程中通過泥漿泵產(chǎn)生的高壓水驅(qū)動孔底馬達(dá)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，再通過萬向軸和傳動軸帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，同時，通過不斷調(diào)整孔底馬達(dá)彎頭朝向，進(jìn)行鉆孔軌跡人為控制，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)，從而使鉆孔軌跡始終在3#煤層頂板裂隙帶內(nèi)按既定軌跡延伸。實(shí)際鉆孔孔深519~570m，鉆孔工程量3325m，6個為定向長鉆孔，用時41 天。

3.2 抽采效果分析

11308 工作面回風(fēng)順槽1#鉆場6個定向長鉆孔施工完成后，立即聯(lián)管接抽，采用在線監(jiān)測和人工測量相結(jié)合的方法，統(tǒng)計各鉆孔抽采數(shù)據(jù)；工作面推采過程中，各高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度和純量隨時間變化曲線如圖2~7 所示。

圖2 1#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖3 2#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖4 3#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖5 4#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖6 5#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

圖7 6#定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)變化曲線圖

從圖2~7 可知，6個鉆孔初期瓦斯抽采濃度較高，隨著工作面的推進(jìn)，1#、2#鉆孔瓦斯抽采濃度衰減較快，在2個月時間內(nèi)，衰減至2%；3#、4#、5#、6#鉆孔瓦斯抽采濃度雖有一定衰減，但能穩(wěn)定在5%以上或更高。對于瓦斯抽采純量，1#、2#鉆孔初期濃度較高，單孔純量高達(dá)0.92m3/min；3#、4#鉆孔初期瓦斯抽采純量較低，7~14d后，直線上升，并能長時間穩(wěn)定在0.5~0.7m3/min 之間；5#、6#鉆孔雖然瓦斯?jié)舛容^高，但瓦斯抽采純量一直處于低位，在0.1~0.15m3/min 之間波動。

煤層開采后覆巖形成采動裂隙，卸壓瓦斯沿導(dǎo)氣裂隙帶向上運(yùn)移聚集。在工作面傾向方向上，采空區(qū)中部的導(dǎo)氣裂隙帶高度發(fā)展稍微滯后于采空區(qū)兩側(cè)的導(dǎo)氣裂隙帶高度，煤層導(dǎo)氣裂隙帶為還未發(fā)育至5#、6#鉆孔控制范圍內(nèi)，因而在初期不能有效抽采瓦斯。越靠近采空區(qū)回風(fēng)隅角，裂隙越發(fā)育，導(dǎo)氣裂隙帶高度越高，在裂隙帶易形成瓦斯富集區(qū)，因而，該范圍1#、2#鉆孔純瓦斯流量值較高；之后伴隨著關(guān)鍵層的破斷，3#、4#鉆孔瓦斯流量值呈階梯式增長，并達(dá)到峰值；而5#、6#鉆孔抽采效果一直不佳。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測， 工作面煤墻及架間瓦斯?jié)舛?.01%~0.08%，生產(chǎn)過程中回風(fēng)隅角上部瓦斯?jié)舛?.38~0.56%，回風(fēng)流實(shí)測最大瓦斯?jié)舛?.52%，滿足生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)了11308 工作面的安全生產(chǎn)。

根據(jù)11308 工作面頂板覆巖變形破壞特征，結(jié)合抽采數(shù)據(jù)分析，確定鉆孔控制水平距離為巷道輪廓線35m范圍內(nèi)施工高位抽采鉆孔抽放效果最佳；同時根據(jù)1#~6#鉆孔抽采數(shù)據(jù)及生產(chǎn)過程中上隅角瓦斯?jié)舛确治?，將定向長鉆孔布置在煤層頂板以上30 m范圍內(nèi)能解決上隅角瓦斯問題，滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)上覆巖層“三帶”分布及經(jīng)驗(yàn)公式計算，初步確定11308 工作面裂隙帶理論高度為22.6~52.5m，為鉆孔布置提供了理論依據(jù)。

（2）通過對6個高位定向長鉆孔試驗(yàn)抽采效果分析，越靠近采空區(qū)回風(fēng)隅角，裂隙越發(fā)育，在裂隙帶易形成瓦斯富集區(qū)，因此確定鉆孔控制水平距離為巷道輪廓線35m 范圍內(nèi)、布置層位為煤層頂板上方30 m左右范圍，施工高位抽采鉆孔抽放效果最佳。