采空區(qū)高位瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用研究

陳德山，張建江，楊婉欣

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 資源環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730207；2.靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán) 魏家地礦，甘肅 白銀 730913）

0 引言

目前，隨著煤炭開采深度的增加及高產(chǎn)、高效生產(chǎn)模式的普及，使煤礦在產(chǎn)能增加的同時(shí)也出現(xiàn)瓦斯涌出量過大、頻繁發(fā)生瓦斯超限的現(xiàn)象[1]，尤其在回采階段，本煤層、鄰近層瓦斯大量涌入采空區(qū)，極易造成工作面上隅角及回風(fēng)巷形成瓦斯積聚[2]。現(xiàn)階段，瓦斯抽采是治理采空區(qū)瓦斯普遍采用的技術(shù)手段[3]，大量學(xué)者對(duì)此開展了研究，并取得了豐碩的成果。倪廉欽[4]在萬峰煤礦1201 工作面采用錯(cuò)距式雙埋管技術(shù)抽采采空區(qū)瓦斯取得了較為顯著的抽采效果；崔鵬飛[5]等采用采空區(qū)埋管抽采與長(zhǎng)距離高位鉆孔抽采相結(jié)合的方式，使成莊礦4321 工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉抵?%以下；賈曉亮[6]通過高位定向長(zhǎng)鉆孔替代頂板高抽巷的方法，使云南老廠礦區(qū)801 工作面上隅角的瓦斯降至0.6%、回風(fēng)巷瓦斯降至0.4%；許石青[7]基于高位長(zhǎng)距離定向鉆孔技術(shù)對(duì)盤江煤礦23125 工作面采空區(qū)高頂裂隙瓦斯進(jìn)行抽放，使采空區(qū)瓦斯降至16%。此外，林海飛[8]、童碧[9]等學(xué)者采用高位定向長(zhǎng)鉆孔代替高位抽采巷對(duì)采空區(qū)及上隅角瓦斯進(jìn)行治理，結(jié)果表明，以高位定向長(zhǎng)鉆孔代替高位巖石抽采巷（以孔代巷）具有施工方便、工程量小、成本低、效率高、鉆孔利用率高、抽采效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前，高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)已成為煤礦治理采空區(qū)瓦斯的首選技術(shù)[10]。

為減少魏家地礦北1103 工作面受采空區(qū)瓦斯涌出的影響，降低工作面上隅角及回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛?，本文設(shè)計(jì)高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)方案，開展采空區(qū)瓦斯抽采工作，監(jiān)測(cè)分析瓦斯抽采效果，以期徹底解決突出煤層采煤工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯超限問題，并為類似礦井采空區(qū)及上隅角瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

北1103 工作面位于魏家地礦北一采區(qū)南翼，工作面運(yùn)輸巷與北1101 回風(fēng)巷留設(shè)8.0 m 凈煤柱，回風(fēng)巷在原始煤層中掘進(jìn)，工作面東部為北1101綜放工作面，南部為F3 逆斷層，西部為原始一煤層，北部為北一運(yùn)輸、軌道、回風(fēng)石門保護(hù)煤柱。工作面為北一采區(qū)一煤層工作面，煤層巖性特征為黑色、半亮—半暗型、鱗片狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，瀝青光澤，以粉沫狀為主，屬煤與瓦斯突出煤層。沿走向自南向北煤層厚度逐漸變薄，煤層總厚度5.71～16.96 m，平均總厚度為11.2 m，平均可采厚度為8.1 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸1～6 層，厚度0.35～5.48 m，沿走向自南向北煤層夾矸層數(shù)變少，厚度變厚。工作面在回采期間，瓦斯涌出量較大，最大瓦斯涌出量為7～8 m3/min，使工作面上隅角和回風(fēng)巷頻繁發(fā)生瓦斯超限情況，嚴(yán)重制約工作面安全回采，且工作面頂板裂隙帶范圍存在泥巖層，在工作面采取“高位鉆場(chǎng)頂板巖石走向鉆孔+回風(fēng)穿層高位鉆孔”抽采裂隙帶瓦斯措施時(shí)，鉆孔頻繁受泥巖層影響縮孔，致使大部分鉆孔抽采失效，采空區(qū)裂隙帶瓦斯不能有效抽采。

1.2 工作面頂板巖性情況

工作面煤層頂板巖性分別為基本頂，灰白色，粗砂巖、含礫粗砂巖，厚度5.03～13.07 m，成份以石英為主，其次為長(zhǎng)石，含白云母片，局部含黃鐵礦、暗色礦物、煤屑，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)；直接頂,灰黑色、灰色,粉砂巖、細(xì)粗砂巖，厚度0.56～1.46 m,含植物化石碎片，白云母片，煤屑，局部夾煤線和泥巖；偽頂，深灰色，炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)粉砂巖，厚度0.3～0.6 m，薄層狀，可塑性較好，局部夾煤線。

2 高位鉆孔瓦斯抽放原理

工作面開采后，上覆巖層原有的應(yīng)力平衡被打破，形成新的應(yīng)力平衡，上覆巖層會(huì)出現(xiàn)離層裂隙與豎向破斷裂隙，自上而下依次形成完全下沉帶、裂隙帶及垮落帶[11-12]。其中，最下層的垮落帶裂隙最為發(fā)育且?guī)r塊呈不規(guī)則的垮落，裂隙帶上部多以離層裂隙發(fā)育為主，下部多以破斷裂隙發(fā)育為主，彎曲下沉帶裂隙不發(fā)育[13]。采空區(qū)形成新的應(yīng)力平衡后，四周關(guān)鍵層下部會(huì)形成橫向連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，而中部頂板巖層裂隙則會(huì)被壓實(shí)，即會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“O”形圈。隨著工作面的不斷推移，“O”形圈也會(huì)隨工作面的推移而推移，其移動(dòng)速度與工作面的推進(jìn)速度大致相當(dāng)。在瓦斯?jié)舛燃皦毫Φ碾p重影響下，“O”圈上下兩側(cè)的煤層瓦斯向圈內(nèi)滲透擴(kuò)散，使“O”形圈成為瓦斯的富集區(qū)[14]。高位瓦斯抽采鉆孔是一般由回風(fēng)巷向煤層頂板鉆孔，利用工作面回采后形成的頂板裂隙作為瓦斯抽放的通道。把高位瓦斯抽采鉆孔布置在“O”形圈內(nèi)，鉆孔能夠長(zhǎng)時(shí)間、高效的抽采瓦斯[15]。

根據(jù)高位瓦斯鉆孔技術(shù)原理，為避免扇形鉆孔施工受泥巖影響問題，項(xiàng)目決定在北1103 工作面采取頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)，可減少鉆孔施工受泥巖層的影響，有效抽取瓦斯。

3 定向高位鉆場(chǎng)鉆孔設(shè)計(jì)與施工

3.1 鉆孔高度設(shè)計(jì)

依據(jù)“三帶”劃分理論，工作面上覆巖層自上而下分別為彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶。由于裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育充分且穩(wěn)定，一般將高位定向鉆孔布置在工作面上覆巖層的裂隙帶內(nèi)[16]。

根據(jù)煤層開采后垮落帶與裂隙帶的高度計(jì)算公式[17]：

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hi為裂隙帶高度，m；M 為煤層厚度，m。

由以上兩式可以計(jì)算出垮落帶高度為39.01～41.21 m，裂隙帶高度為119.36～140.2 m。

根據(jù)魏家地礦的地層物理學(xué)參數(shù)，采用FlAC3D 建立北1103 工作面的地層模型，當(dāng)工作面開挖后，其頂板垂直應(yīng)力分布如圖1 所示，頂板塑性區(qū)分布如圖2 所示。

圖1 工作面開挖后垂直應(yīng)力分布云圖Fig.1 Vertical stress distribution cloud map after excavation of working face

圖2 工作面開挖后頂板塑性區(qū)分布Fig.2 Distribution of plastic zone of roof after excavation of working face

從圖1 可知，隨著工作面的回采工作的進(jìn)行，工作面頂板形成應(yīng)力卸壓區(qū)，泄壓應(yīng)力在走向和傾向均呈現(xiàn)四周高、中間低的馬鞍形狀，總體以橢球體狀呈現(xiàn)，其高度為118.73 m，說明頂板裂隙帶最大高度約為118.73 m。

從圖2 可知，當(dāng)工作面開挖后，關(guān)鍵層上方巖石未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)分布，而關(guān)鍵層下方巖層出現(xiàn)較為典型的馬鞍形塑性區(qū)，其最大高度約為39.13 m，說明垮落帶的最大高度為39.13 m。

綜合以上計(jì)算和模擬結(jié)果，最終確定垮落帶高度為39.46 m，裂隙帶高度為125.45 m。結(jié)合魏家地礦前期高位鉆孔的布孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，1 號(hào)和2 號(hào)鉆場(chǎng)的鉆孔高度為55～ 70 m，鉆孔剖面布孔如圖3所示。

圖3 北1103 工作面回風(fēng)巷高位定向鉆孔剖面Fig.3 High-level directional drilling profile of return airway in North 1103 working face

3.2 鉆孔平面位置設(shè)計(jì)

根據(jù)北1103 工作面布置特征，在距北1103 工作面回風(fēng)巷開口位置以南680 m 處布置第一個(gè)鉆場(chǎng)（即1 號(hào)鉆場(chǎng)），在北1103 工作面回風(fēng)巷開口位置布置第二個(gè)鉆場(chǎng)（即2 號(hào)鉆場(chǎng)）。鉆場(chǎng)在北1103 工作面回風(fēng)巷南幫布置，鉆場(chǎng)寬7.0 m，深3.8 m，高2.8 m，鉆場(chǎng)采用錨網(wǎng)索支護(hù)。通過鉆場(chǎng)施工定向高位鉆孔降低北1103 工作面回采期間瓦斯涌出。結(jié)合該礦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在1 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)共布置7 個(gè)高位定向鉆孔，內(nèi)錯(cuò)于北1103 回風(fēng)巷的距離為20～60 m，鉆孔進(jìn)尺1 876 m。2 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)共布置7 個(gè)高位定向鉆孔，內(nèi)錯(cuò)于北1103 回風(fēng)巷的距離為0.5～36 m，鉆孔進(jìn)尺1 680 m。鉆孔平面布孔如圖4 所示。

圖4 北1103 工作面回風(fēng)巷高位定向鉆孔平面Fig.4 Plane diagram of high-level directional drilling in return airway of north 1103 working face

3.3 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 1 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

工作面現(xiàn)回采至420 m 點(diǎn)，預(yù)計(jì)施工時(shí)回采至450 m 點(diǎn)，頂板定向高位鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)入采空區(qū)30 m。在1 號(hào)鉆孔內(nèi)設(shè)計(jì)施工7 個(gè)鉆孔，孔徑153 mm，孔深268 m，總進(jìn)尺1 876 m。1 號(hào)鉆場(chǎng)定向高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。

表1 北1103 工作面回風(fēng)巷1 號(hào)鉆場(chǎng)頂板定向高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of directional high-level borehole in roof of No.1 drilling field in return airway of north 1103 working face

3.3.2 2 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2 號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)的頂板定向高位鉆孔應(yīng)搭接1 號(hào)高位鉆孔，在2 號(hào)鉆孔內(nèi)設(shè)計(jì)施工7 個(gè)鉆孔，孔徑153 mm，孔深240 m，總進(jìn)尺1 680 m。2 號(hào)鉆場(chǎng)定向高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表2。

表2 北1103 工作面回風(fēng)巷2 號(hào)鉆場(chǎng)頂板定向高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 North 1103 working face return air roadway No.2 drilling field roof directional high drilling design parameters

3.4 高位定向鉆孔施工情況

在魏家地煤礦北1103 工作面回風(fēng)巷，施工2個(gè)鉆場(chǎng)共計(jì)14 個(gè)頂板高位定向鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)各7 個(gè)。在實(shí)際施工中，1 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔深度最小265 m，最大271 m，孔徑153 mm，總進(jìn)尺1 876 m；2 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔深度最小238 m，最大241 m，孔徑153 mm，總進(jìn)尺1 680 m。在施工過程中，工程進(jìn)展順利，所有鉆孔成孔較為完整，未發(fā)生因泥巖層導(dǎo)致的縮孔情況，施工進(jìn)度未受泥巖層影響，鉆孔施工結(jié)果達(dá)到了預(yù)期效果。鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖5、圖6 所示。

圖5 1 號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖Fig.5 The actual drilling trajectory of No.1 drilling site

圖6 2 號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖Fig.6 Trajectory diagram of No.2 drilling field

4 瓦斯抽采效果分析

4.1 1 號(hào)高位定向鉆孔抽采效果分析

1 號(hào)鉆場(chǎng)7 個(gè)高位定向鉆孔于2022 年1 月5日開始聯(lián)網(wǎng)抽采，2022 年6 月2 日停止抽采，累計(jì)抽采時(shí)間148 d。為考察高位鉆孔的抽采效果，統(tǒng)計(jì)了2022 年3 月5 日—2022 年4 月14 日單日瓦斯抽采純量（圖7）、回采工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋▓D8）。

圖7 1 號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔瓦斯抽采純量Fig.7 Pure amount of gas extraction from high-level boreholes in No.1 drilling site

圖8 上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Upper corner and gas volume fraction of return air flow

由圖7 可知，連續(xù)統(tǒng)計(jì)的40 d 中，1 號(hào)鉆場(chǎng)單日瓦斯抽采純量有較大波動(dòng)，瓦斯抽采純量最大2.8 m/min，最小1.4 m/min，平均瓦斯抽采純量2.15 m3/min。

由圖8 可知，連續(xù)統(tǒng)計(jì)的40 d 中，上隅角瓦斯?jié)舛扔休^大幅度波動(dòng)，上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.66%,最小瓦斯?jié)舛葹?.32%，平均瓦斯?jié)舛葹?.48%；采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中，瓦斯?jié)舛仍谳^小范圍內(nèi)有波動(dòng)，但總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最大瓦斯?jié)舛葹?.38%，最小瓦斯?jié)舛葹?.14%，平均瓦斯?jié)舛葹?.25%。

4.2 2 號(hào)高位定向鉆孔抽采效果分析

2 號(hào)鉆場(chǎng)7 個(gè)高位定向鉆孔于2022 年5 月17日開始聯(lián)網(wǎng)抽采，2022 年10 月2 日停止抽采，累計(jì)抽采時(shí)間138 d。為考察2 號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔的抽采效果，統(tǒng)計(jì)了2022 年5 月17 日—2022 年6 月26 日單日瓦斯抽采純量（圖9）、回采工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋▓D10）。

圖9 2 號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔瓦斯抽采純量Fig.9 Pure amount of gas extraction from high-level boreholes in No.2 drilling site

圖10 上隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.10 Upper corner and gas volume fraction of return air flow

由圖9 可知，連續(xù)統(tǒng)計(jì)的40 d 中，2 號(hào)鉆場(chǎng)單日瓦斯抽采純量波動(dòng)幅度較大，總體呈升高趨勢(shì)，這是由于后期1 號(hào)鉆場(chǎng)停采導(dǎo)致、2 號(hào)鉆場(chǎng)抽采范圍擴(kuò)大的原因所致。其中瓦斯抽采純量最大為2.8 m/min，最小1.1 m/min，平均瓦斯抽采純量1.97 m/min，較1 號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采純量略有下降。

由圖10 可知，連續(xù)統(tǒng)計(jì)的40 d 中，上隅角瓦斯?jié)舛纫廊挥休^大波動(dòng)幅度，且總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.48%,最小瓦斯?jié)舛葹?.20%，平均瓦斯?jié)舛葹?.37%；采煤工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中，瓦斯?jié)舛炔▌?dòng)范圍較小，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最大瓦斯?jié)舛葹?.28%，最小瓦斯?jié)舛葹?.12%，平均瓦斯?jié)舛葹?.22%。與1 號(hào)鉆場(chǎng)抽采時(shí)的瓦斯?jié)舛认啾容^，2 號(hào)鉆場(chǎng)抽采時(shí)上隅角、采煤工作面回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@的下降，這是由于1 號(hào)鉆場(chǎng)抽采后，采空區(qū)瓦斯含量減少的原因?qū)е碌摹?/p>

5 結(jié)論

（1）根據(jù)北1103 工作面裂隙帶和垮落帶的高度，結(jié)合前期高位鉆孔的布孔經(jīng)驗(yàn)，確定了1 號(hào)、2 號(hào)鉆場(chǎng)的鉆孔高度為55～70 m，1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔內(nèi)錯(cuò)于回風(fēng)巷20～60 m，鉆孔總進(jìn)尺1 876 m，2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔內(nèi)錯(cuò)于回風(fēng)巷0.5～36 m，鉆孔總進(jìn)尺1 680 m。

（2）1 號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間，工作面上隅角平均瓦斯?jié)舛葹?.48%，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛葹?.25%，2 號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間，工作面上隅角平均瓦斯?jié)舛葹?.37%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.22%，瓦斯均未超限，抽采效果明顯。

（3）相較于“高位鉆場(chǎng)頂板巖石走向鉆孔+回風(fēng)穿層高位鉆孔”抽采技術(shù)，利用高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)可解決鉆孔施工受泥巖層影響而縮孔的難題。