定向長鉆孔在綜放工作面采空區(qū)瓦斯抽采中的應(yīng)用

柴金軍

（汾西礦業(yè)集團賀西煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

瓦斯是影響井下采掘工作安全開采的不利因素之一，瓦斯抽采是治理瓦斯突出、減少瓦斯涌出的主要措施[1-2]。普通的回轉(zhuǎn)鉆機施工的瓦斯抽采鉆孔具有鉆孔軌跡不清晰、鉆孔鉆進距離短以及自動化程度低等問題，為實現(xiàn)瓦斯高效治理并解決瓦斯抽采空白帶問題，布置的鉆孔間距往往減少，即通過增加鉆孔數(shù)量密度鉆機性能低、鉆孔軌跡不詳以及覆蓋范圍小等問題。定向長鉆孔采用先進的鉆機設(shè)備、軌跡測量系統(tǒng)等，可確保鉆孔按照預(yù)先設(shè)計的軌跡鉆進，在防治水、地質(zhì)探測及瓦斯治理中均有較好應(yīng)用[3-5]。文中就以23101 綜放工作面采空區(qū)瓦斯治理為工程背景，對定向長鉆孔應(yīng)用情況進行分析，以期為其他礦井類似情況瓦斯治理工作開展提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

山西某礦23101（全文簡稱23101）綜放工作面設(shè)計傾向、走向長度分別為870 m、180 m，設(shè)計采放比為1.00∶1.62，采面回采的3-1 號煤層賦存穩(wěn)定，原始瓦斯含量為7.82 m3/t。3-1 號煤層為礦井主采煤層之一，具有賦存穩(wěn)定、發(fā)熱量高以及開采經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。3-1 號煤層傾角0°～10°，頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖為主。23101 綜放工作面采用一進一回的U 型通風(fēng)方式，設(shè)計供風(fēng)量為2 950 m3/min，采面回采期間瓦斯涌出量最大為35 m3/min，其中采空區(qū)瓦斯涌出量達到19 m3/min，雖然采用采空區(qū)埋管抽采瓦斯，但是瓦斯涌出量仍較大。分析主要是由于采面漏風(fēng)量大導(dǎo)致，為此提出在采面后方懸掛廢棄風(fēng)筒布、端頭懸空頂板爆破弱化等方式減少漏風(fēng)量基礎(chǔ)上，增加定向長鉆孔實現(xiàn)采空區(qū)頂板裂隙瓦斯抽采，從而達降低采空區(qū)瓦斯涌出量，避免回風(fēng)上隅角、回風(fēng)巷等位置出現(xiàn)瓦斯超限。

2 定向長鉆孔瓦斯抽采應(yīng)用

2.1 定向長鉆孔布置層位

采用定向長鉆孔抽采采空區(qū)頂板裂隙瓦斯時，首先應(yīng)確定鉆孔布置層位，為此提出綜合采用理論計算、數(shù)值模擬技術(shù)確定采空區(qū)頂板垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶高度，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況合理確定定向長鉆孔層位、與回風(fēng)巷水平間距。

2.1.1 理論計算

煤炭回采頂板垮落形成的冒落帶、裂隙帶高度與煤層傾角、覆巖巖性及頂板管理方式等有關(guān)，具體冒落帶、裂隙帶可通過下屬公式計算確定[6-7]：

式中：Hm、Hl分別為冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度，m；M 為煤層開采高度，取值6.0 m。

將開采高度6 m 帶入到式（1）、式（2）中分別計算得到Hm=23.2～32.76 m、Hl=60.96～74.94 m。

2.1.2 數(shù)值模擬確定

采用UDEC 軟件依據(jù)23101 綜放工作面現(xiàn)場條件構(gòu)建仿真模型，對回采后頂板覆巖跨落情況進行分析，具體不同推進距離下頂板覆巖垮落形態(tài)變化情況見圖1 所示。

圖1 覆巖垮落形態(tài)變化

23101 綜放工作面回采后，直接頂由于強度較低出現(xiàn)一定程度的彎曲變形，當(dāng)回采推進距離超過30 m時，直接頂出現(xiàn)部分垮落，最大垮落高度達到2 m；當(dāng)采面推進50 m 時，直接頂已完全垮落，基本頂出現(xiàn)回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，此時采面出現(xiàn)初次來壓，具體見圖1-1 所示，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發(fā)育高度約為45 m；當(dāng)采面推進至65 m 時，基本頂在覆巖應(yīng)力及自身重力等作用下出現(xiàn)大量裂隙，液壓支架出現(xiàn)下沉、阻力增大、煤壁出現(xiàn)一定程度片幫、底板有底鼓情況，采面出現(xiàn)第一次周期來壓，周期來壓步距在15 m左右，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發(fā)育高度則增加至60 m；當(dāng)采面推進至90 m 時，頂板關(guān)鍵層開始出現(xiàn)破斷，關(guān)鍵層之上巖體出現(xiàn)一定程度的彎曲下沉并伴隨產(chǎn)生少量裂隙，具體見圖1-2 所示，此時頂板冒落帶高度約為20 m、裂隙帶發(fā)育高度則增加至63 m；當(dāng)采面回采超過220 m 后，覆巖頂板垮落、彎曲變形充分，冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶高度穩(wěn)定，具體見圖1-3 所示，此時冒落帶、裂隙帶發(fā)育高度分別為20 m、66 m。從模擬結(jié)果看出，在開采初期由于頂板垮落不充分，冒落帶與裂隙帶發(fā)育高度隨開采距離增加而增大，當(dāng)出現(xiàn)初次來壓后冒落帶高度基本穩(wěn)定、后續(xù)不再增加，而裂隙帶高度隨著覆巖變形呈現(xiàn)不斷增加趨勢；采面推進超過220 m 后，覆巖移動基本平穩(wěn)，裂隙帶發(fā)育高度基本不再增加，最終穩(wěn)定到66 m。

結(jié)合理論計算機數(shù)值模擬結(jié)果，判斷23101 綜放工作面回采后覆巖垮落帶與裂隙帶邊界約為20 m、彎曲下沉帶與裂隙帶邊界約為66 m。

2.2 定向長鉆孔應(yīng)用

施工的高位定向鉆孔層位應(yīng)布置在裂隙帶中，充分利用裂隙帶裂隙發(fā)育、裂隙瓦斯?jié)舛雀邇?yōu)點，攔截采空區(qū)瓦斯。為便于高位鉆孔施工并避免鉆孔塌孔問題，布置的高位鉆孔應(yīng)盡量靠近裂隙帶上邊界，但是裂隙帶上邊界存在部分裂隙閉合問題，會弱化瓦斯抽采效果。綜合覆巖裂隙帶發(fā)育高度以及覆巖巖性，最終確定將裂隙帶層位布置在距離3-1 號煤層40～60 m 位置，高位鉆孔與回風(fēng)巷間水平間距控制在15～48 m。

由于采空區(qū)瓦斯涌出量大，為有效攔截采空區(qū)瓦斯涌出，現(xiàn)場共計布置5 個高位定向鉆孔，具體布置見圖2 所示。為避免鉆孔鉆進對回采影響，在采區(qū)回風(fēng)大巷靠近23101 回風(fēng)巷20 m 位置布置寬、深、高分別為6 m、3 m、5 m 的鉆場，鉆場采用錨網(wǎng)索支護方式，頂板及鉆場兩幫均鋪設(shè)金屬網(wǎng)，在鉆孔施工位置則僅通過錨桿支護；同時由于鉆場跨度大，采用單體+工字鋼強化頂板支護。

圖2 定向長鉆孔布置示意圖

在鉆場內(nèi)布置5 個高位定向長鉆孔，鉆孔采用ZYWL-6000DS 鉆機，高位定向長鉆孔設(shè)計為三開結(jié)構(gòu)，一開孔徑120 mm、二開孔徑165 mm、三開孔徑203 mm。具體施工的各高位定向長鉆孔結(jié)構(gòu)為：1 號高位定向長鉆孔一開120 mm、鉆孔鉆進深度為895 m，鉆孔未擴孔；2 號高位定向長鉆孔一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度615 m，三開203 mm、擴孔深度403 m；3 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度678 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度456 m；4 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度662 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度365 m；5 號高位定向一開120 mm、鉆進深度為895 m，二開165 mm、擴孔深度577 m，三開孔徑203 mm、擴孔深度515 m。具體高位定向長鉆孔施工技術(shù)參數(shù)見表1 所示。

表1 高位定向長鉆孔施工技術(shù)參數(shù)

3 高位定向鉆孔瓦斯抽采效果

對23101 綜放工作面回采期間高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度、純量等參數(shù)進行實時監(jiān)測，具體結(jié)果見圖3 所示。

圖3 瓦斯抽采監(jiān)測結(jié)果

從圖3 中看出，5 個定向長鉆孔瓦斯抽采純量在7.2～16.94 m3/min，均值為11.25 m3/min；瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在27%～47%，均值為35%。在23101 綜放工作面布置的高位定向長鉆孔可服務(wù)采面整個回采區(qū)間，高位定向長鉆孔瓦斯抽采純量及濃度較為穩(wěn)定，可有效攔截采空區(qū)瓦斯，有助于降低回風(fēng)巷、回風(fēng)上隅角位置瓦斯?jié)舛?。采面生產(chǎn)期間，回風(fēng)巷、回風(fēng)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高分別為0.34%、0.43%，瓦斯?jié)舛仍谠试S范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1）23101 綜放工作面回采期間自身瓦斯含量高、采空區(qū)遺煤量多以及受采空區(qū)漏風(fēng)量大等因素影響，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量達到19 m3/min，占整個采面瓦斯涌出量的54.3%。采空區(qū)大量高濃度瓦斯涌出，容易導(dǎo)致回風(fēng)上隅角及回風(fēng)巷中瓦斯超限，影響采面生產(chǎn)安全。為實現(xiàn)采面采空區(qū)瓦斯高效治理，提出采用定向長鉆孔抽采采空區(qū)內(nèi)頂板裂隙瓦斯，利用定向長鉆孔覆蓋范圍大、距離長、抽采效果高以及服務(wù)時間長等優(yōu)點，實現(xiàn)采面回采期間采空區(qū)頂板裂隙瓦斯持續(xù)抽采。

2）高位定向長鉆孔布置層位會直接影響裂隙瓦斯抽采效果，綜合采用理論計算、數(shù)值模擬技術(shù)手段確定23101 綜放工作面回采后頂板冒落帶、裂隙帶范圍，并依據(jù)計算結(jié)果，最終確定將高位定向長鉆孔布置在距離3 號煤層頂板40～60 m 的粉砂巖層中，與回風(fēng)巷間水平間距為15～48 m。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，高位定向長鉆孔瓦斯抽采濃度、抽量等參數(shù)較為穩(wěn)定，其中抽量、體積分?jǐn)?shù)均值分別為11.25 m3/min、35%，鉆孔可覆蓋23101 綜放工作面整個回采周期；回風(fēng)上隅角、回風(fēng)巷中瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.34%、0.43%，采面回采期間未出現(xiàn)瓦斯超限或者瓦斯?jié)舛让黠@增高情況。