高位大直徑定向鉆孔治理上隅角瓦斯技術(shù)實(shí)踐

王 磊

（山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司王莊煤礦）

煤礦開(kāi)采中，上隅角為瓦斯最易積聚的位置之一。工程實(shí)踐中，高抽巷和頂板高位鉆孔是治理上隅角瓦斯超限的有效方法，其中，頂板高位鉆孔具有施工成本低、穩(wěn)定性好、有效孔段長(zhǎng)等特點(diǎn)。隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展，頂板高位定向鉆孔治理上隅角瓦斯技術(shù)逐漸受到重視，在一些礦區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但目前缺少抽采效果方面的對(duì)比與分析。

隨著我國(guó)煤礦安全高效瓦斯治理技術(shù)的全面推廣，定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)施工周期短，抽采地點(diǎn)控制精準(zhǔn)，已逐步成為礦井瓦斯防治的重要手段［1-7］，因此，本文通過(guò)在高瓦斯工作面布置大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔，根據(jù)實(shí)際瓦斯抽采量判定瓦斯抽采的效果，從而為其他類(lèi)似綜采工作面回風(fēng)上隅角瓦斯治理提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和借鑒，具有一定的實(shí)際意義。

1 工程背景

王莊煤礦8105工作面煤種為貧煤，屬高瓦斯低滲透煤層，煤層埋藏深度300～400 m，位于潞安礦區(qū)3#煤層，煤層傾角在1°～6°，平均為5°，工作面煤層厚度平均為6 m，8105工作面煤層瓦斯含量最大值為5.3 m3/t，殘存瓦斯含量為2.36 m3/t，工作面可采儲(chǔ)量為78.3萬(wàn)t。在工作面回采至100 m時(shí)，高抽巷垮塌，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，開(kāi)始試驗(yàn)大直徑高位定向鉆孔替代高抽巷治理工作面回采期間瓦斯。

高位鉆孔是在回風(fēng)巷及工作面鄰近巷道向煤層頂板施工的鉆孔，其特點(diǎn)是以工作面采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道來(lái)抽采工作面采空區(qū)及上隅角積聚的瓦斯［8］。隨著工作面回采，在工作面周?chē)鷮⑿纬梢粋€(gè)采動(dòng)壓力場(chǎng)，采動(dòng)壓力場(chǎng)及其影響范圍在垂直方向上形成3個(gè)帶，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在水平方向上形成3個(gè)區(qū)，即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。在這個(gè)采動(dòng)壓力場(chǎng)中形成的裂隙空間，便成為瓦斯流動(dòng)的通道。通過(guò)高位鉆孔內(nèi)的抽放負(fù)壓，加速了瓦斯的流動(dòng)，從而可通過(guò)鉆孔抽出高濃度的瓦斯，另外鉆孔布置在裂隙帶，受采動(dòng)影響較小，不易破壞，便于長(zhǎng)期抽采。

2 大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)施工

2.1 鉆孔終孔高度的確定

根據(jù)前期試驗(yàn)分析，3#煤層瓦斯抽采鉆孔的有效抽采半徑為6 m左右，因此，每個(gè)鉆孔間距設(shè)置為6 m。冒落帶和斷裂帶的理論高度計(jì)算如下。

（1）冒落帶高度H1計(jì)算公式為

式中，m為工作采高，取6 m；k0為垮落巖石的殘余碎脹系數(shù)，取1.4；α為煤層傾角，取5°。

計(jì)算得出冒落帶高度為15 m左右。

（2）斷裂帶高度H2計(jì)算公式為

計(jì)算得出斷裂帶高度為45 m左右。因此，采空區(qū)上覆巖層裂隙帶范圍為3#煤層頂板以上15～45 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，為了降低回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛?，確定大直徑高位鉆孔層位控制在3#煤層頂板以上30 m左右。

2.2 施工地點(diǎn)

8105工作面共計(jì)布置1個(gè)定向高位孔鉆場(chǎng)，即1#千米鉆場(chǎng)。1#千米鉆孔位于8105風(fēng)巷靠工作面幫，鉆孔距聯(lián)巷口190 m（即風(fēng)3導(dǎo)線點(diǎn)向前53.84 m）。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定的地點(diǎn)選擇鉆場(chǎng)位置，并開(kāi)掘?qū)ｉT(mén)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)長(zhǎng)7 m，深5 m，高3 m。

2.3 鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)

王莊礦8105工作面定向鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)施工7個(gè)大孔徑定向高位鉆孔，孔徑為203 mm，孔深為303～315 m，鉆孔間距為6 m，覆蓋8105風(fēng)巷向工作面?zhèn)?～48 m，層位控制在3#煤層頂板以上25～36 m。圖1為8105風(fēng)巷定向高位鉆孔鉆場(chǎng)位置示意圖。7個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)總進(jìn)尺2 049 m，鉆孔施工周期為75 d。

2.4 鉆孔施工

定向高位鉆孔施工區(qū)域頂板壓力較大，根據(jù)鉆孔實(shí)際施工情況，后期考慮下設(shè)護(hù)孔篩管，保證抽采效果。

鉆孔施工區(qū)域0～214 m煤層為下行，214 m以后煤層上行，為避免鉆孔在214 m時(shí)積水影響抽采效果，鉆孔在中間段不考慮平行于3#煤層。

另外，在施工4#～8#鉆孔時(shí)要穿過(guò)8105高抽巷，鉆孔在施工時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，避開(kāi)高抽巷、頂錨索及壓力影響區(qū)域，保證成孔。定向高位鉆孔施工具體參數(shù)見(jiàn)表1。

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采分析

8105工作面風(fēng)巷1#鉆場(chǎng)共計(jì)施工7個(gè)鉆孔，鉆孔覆蓋風(fēng)巷工作面一側(cè)24.2 m，定向鉆孔接抽后，各定向鉆孔受其布置層位和所在層位開(kāi)采裂隙的影響，在工作面回采初期未進(jìn)入裂隙發(fā)育區(qū)，瓦斯含量少，抽采效果不明顯。隨著工作面的不斷推進(jìn)，各鉆孔平均瓦斯抽采純量和抽采總混量開(kāi)始增大，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始下降，各定向鉆孔抽采參數(shù)詳見(jiàn)表2。

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由表2可知，鉆孔抽采期間平均純量為4.3 m3/min，鉆孔平均抽采濃度為11.1%，瓦斯抽采總混量為48.8 m3/min，當(dāng)日鉆孔平均瓦斯抽采濃度為11.7%。1#、2#和4#定向鉆孔平均抽采純量較低，抽采效果較差，結(jié)合其實(shí)際施工參數(shù)判斷，工作面推進(jìn)時(shí)頂板未垮落至鉆孔區(qū)域，且鉆孔施工層位較高，因而抽采效果較差。而5#、6#、補(bǔ)1#定向鉆孔間存在裂隙導(dǎo)通的現(xiàn)象，且鉆孔層位位于裂隙帶中下部，因而抽采效果有一定程度的提升。圖2為王莊煤礦8105風(fēng)巷1#鉆場(chǎng)3#定向鉆孔瓦斯抽采參數(shù)。

3.2 工作面上隅角瓦斯?jié)舛确治?/h3>

圖3為8105工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€?？芍ㄏ蜚@孔接抽后，8105工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫搅擞行У目刂?，上隅角瓦斯?jié)舛日w呈下降趨勢(shì)，因工作面回采期間每日產(chǎn)量不同，故上隅角瓦斯?jié)舛纫灿幸欢ǖ淖兓?，但上隅角瓦斯?jié)舛茸畲笾滴催_(dá)到0.8%，確保了工作面安全回采。

3.3 綜合抽采分析

綜上所述，8105工作面風(fēng)巷3#、6#定向鉆孔瓦斯抽采效果較好。3#鉆孔內(nèi)錯(cuò)于8105風(fēng)巷11.4 m，層位為煤層頂板以上21.3 m，根據(jù)抽采效果可知，鉆孔位于裂隙帶下部。6#鉆孔內(nèi)錯(cuò)于8105風(fēng)巷24.2 m，層位為煤層頂板以上29.2 m，結(jié)合抽采效果可知，鉆孔位于裂隙帶中上部，整體抽采效果較好，但由于鉆場(chǎng)較小，鉆機(jī)擺放不便，施工6#鉆孔兩側(cè)的2個(gè)孔時(shí)與6#鉆孔發(fā)生穿孔現(xiàn)象，致使6#鉆孔抽采效果變差。從整體抽采效果看，定向鉆孔對(duì)上隅角瓦斯起到了較好的控制效果，回采期間上隅角瓦斯?jié)舛任闯霈F(xiàn)超限現(xiàn)象，確保了工作面安全回采。

4 結(jié)論

（1）8105工作面定向鉆孔接抽后，初始時(shí)鉆孔瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，隨著工作面的不斷推進(jìn)，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始下降，但是鉆孔的抽采混量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，鉆孔抽采期間平均純量為4.3 m3/min，鉆孔平均抽采濃度為11.1%。

（2）王莊煤礦8105工作面抽采應(yīng)用表明，大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采上隅角瓦斯持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，抽采瓦斯純量穩(wěn)定，有效解決了綜放工作面上隅角瓦斯超限難題。

（3）王莊煤礦在工作面上隅角瓦斯治理過(guò)程中，通過(guò)對(duì)高位鉆孔參數(shù)不斷摸索，科學(xué)分析，優(yōu)化完善，為其他類(lèi)似綜采工作面回風(fēng)上隅角瓦斯治理提供了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和借鑒，具有推廣價(jià)值。