大直徑定向鉆孔抽采技術在150317 工作面的應用

李振華

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司，山西 太原 030006）

當煤層開采后，由于煤體應力降低，煤層透氣性增高，煤層瓦斯將大量涌出，這些瓦斯將不僅在煤層上部破裂巖層裂隙帶中聚集，同時將對工作面空間及采空區造成瓦斯超限的風險[1-3]。目前許多學者對瓦斯治理技術進行了大量研究，形成了諸多成果： 馬金魁等人采用數值模擬方法確定了頂板抽采最佳層位，成功應用了“以孔代巷”技術；賈曉亮等人通過應用定向大直徑高位長鉆孔技術，解決了工作面回風隅角瓦斯聚集及回風流瓦斯超限的問題；王凱等人應用數值模擬方法，對大直徑抽采瓦斯鉆孔參數進行了優化，確定了最優孔徑、孔距和終孔位置[4-6]。工作面生產過程中，采空區回風隅角極易積聚瓦斯。為精準高效抽采頂板裂隙帶瓦斯，切實解決工作面采動過程中的回風隅角瓦斯超限問題，設計了大直徑定向鉆孔群精準抽采鉆孔參數，并應用于現場，以優化150317工作面回風隅角瓦斯治理效果。

1 工程背景

蔭營煤礦目前開采12 號、15 號煤層，其上覆3 號煤層于2005 年已回采完畢。150317 工作面開采15 號煤層，工作面巷道布置如圖1 所示。15 號煤厚度平均為3.75 m，含夾矸2～3 層，煤層頂底板情況如表1 所示。根據煤科集團沈陽研究院有限公司測試結果，15 號煤層相對瓦斯壓力在0.165 4～0.194 8 MPa；瓦斯含量4.21～4.86 m3/t，15 號煤層破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類，瓦斯放散初速度指標ΔP 值為19，煤體堅固性系數f 值為0.63。

圖1 150317 工作面巷道布置

表1 15 號煤層頂底板巖性特征

2 大孔徑定向鉆孔抽采方案設計

綜采工作面覆巖破壞的兩帶高度 （垮落帶和裂隙帶）是指導采空區瓦斯抽采的關鍵參數。正常條件下，工作面推進后采空區頂板在豎直方向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。冒落帶內的巖石破碎成塊狀，巖塊間排列無序、間隙較大，瓦斯與大量空氣混合，此帶內的瓦斯濃度較低。裂隙帶位于冒落帶的上方，此帶內的巖層受到冒落帶巖塊的支撐作用，巖層破斷后排列仍然較整齊，但會形成較多的順層及穿層裂隙，由于瓦斯密度小，在空氣中瓦斯向上漂浮，采空區瓦斯將在此帶內的裂隙中運移、聚集。為精準高效抽采煤層頂板裂隙帶瓦斯，切實解決工作面采動過程中回風隅角瓦斯超限問題，蔭營煤礦采用裂隙帶大直徑定向鉆孔群抽采技術對覆巖瓦斯進行抽采。

2.1 鉆孔深度

采用大直徑定向鉆孔群抽采覆巖瓦斯，鉆孔終孔位置必須覆蓋煤層頂板裂隙帶巖層，因此需對工作面開采后冒落帶及裂隙帶高度進行計算。

（1）冒落帶高度

冒落帶高度計算公式為：

式中：M 為工作面煤層開采高度，m；K 為直接頂巖層碎脹系數；α 為煤層傾角，°。

15 號煤層傾角為3°，并且頂板巖層硬度較大，碎脹系數取為1.35，計算得工作面冒落帶高度為10.7 m。

（2）裂隙帶高度

15 號煤層頂板屬于堅硬巖層，裂隙帶高度計算公式為：

代入數據計算得150317 工作面裂隙帶高度在26.1～52.6 m 范圍內。

（3）瓦斯抽采鉆孔深度

根據上述計算結果，150317 工作面裂隙帶高度在頂板36.8～63.3 m 范圍內，為保證瓦斯抽采鉆孔能夠覆蓋頂板裂隙帶，因此設計瓦斯抽采鉆孔垂直高度為35～65 m。鉆孔在150317 回風巷內施工，鉆孔與水平夾角在15°～45°范圍內，鉆孔深度在380～450 m 范圍內。

2.2 鉆孔設計

沿150317 回風順槽分別設計3 個鉆場，鉆孔設計如圖2、圖3 所示。1#鉆場距離150317 停采線0 m，2#鉆場距離150317 停采線300 m，3#鉆場距離150317 停采線600 m。

圖2 150317 工作面定向鉆孔布置

圖3 150317 工作面定向鉆孔設計

1#鉆場：施工6 個裂隙帶鉆孔，與150317 回風順槽采煤幫平面距離依次為10 m （1#-1 孔）、15 m（1#-2 孔）、20 m （1#-3 孔）、25 m （1#-4 孔）、30 m（1#-5 孔）、35 m（1#-6 孔）。1#鉆場6 個鉆孔終孔位置距15 號煤層頂板35～65 m，1#鉆場內6 個裂隙帶鉆孔設計孔深分別為395 m （1#-1 孔）、407 m（1#-2 孔）、414 m（1#-3 孔）、408 m（1#-4 孔）、402 m（1#-5 孔）、397 m（1#-6 孔），相鄰鉆孔間距為5 m，終孔孔徑120～203 mm。

2#鉆場：施工6 個裂隙帶鉆孔，與150317 回風順槽采煤幫平面距離依次為10 m （2#-1 孔）、15 m（2#-2 孔）、20 m （2#-3 孔）、25 m （2#-4 孔）、30 m（2#-5 孔）、35 m（2#-6 孔）。2#鉆場6 個鉆孔終孔位置距15 號煤層頂板35～65 m，2#鉆場內6 個裂隙帶鉆孔設計孔深分別為395 m （2#-1 孔）、407 m（2#-2 孔）、414m（2#-3 孔）、408m（2#-4 孔）、402 m（2#-5 孔）、397 m（2#-6 孔），相鄰鉆孔間距為5 m，終孔孔徑120～203 mm。

3#鉆場：施工6 個裂隙帶鉆孔，平面位置、終孔孔徑、設計層位與1#鉆場、2#鉆場一致。

各鉆場鉆孔參數如表2 所示。

表2 150317 定向鉆孔參數

3 應用效果

定向鉆孔施工完畢1 天內采用水泥漿封孔，封孔長度不小于5 m，封孔后連接至瓦斯抽采管路上，并安裝管道測定儀，定期監測瓦斯抽采流量變化情況。3#鉆場鉆孔瓦斯抽采流量與工作面距離變化曲線如圖4 所示。

圖4 1#～6#鉆孔瓦斯抽采流量與工作面距離變化曲線

從圖中可以看出，工作面與鉆孔終孔位置距離為0～65 m 范圍時，瓦斯抽采流量較低，表明此時由于工作面回采后采空區上方裂隙帶還未形成，瓦斯未在頂板巖層內聚集。當工作面與鉆孔終孔位置距離為65～100 m 范圍時，瓦斯抽采流量逐步上升，表明此階段工作面上方垮落帶與裂隙帶逐漸形成，采空區上方裂隙內瓦斯逐漸聚集。當工作面與鉆孔終孔位置距離為100～220 m 范圍時，瓦斯抽采流量處于穩定狀態，此時瓦斯抽采流量平均為9.8 m3/min。隨著工作面與鉆孔終孔距離超過220 m 后，瓦斯抽采流量逐漸降低，表明此時采空區上方裂隙逐漸壓實，瓦斯不再出現聚集情況。

相鄰150315 工作面未采用定向鉆孔群抽采技術，僅施工順層抽采鉆孔治理瓦斯，工作面回采過程中，回風流瓦斯濃度在0.4%～0.5%范圍內，回風隅角瓦斯濃度在0.5%～0.6%范圍內，最高達到0.72%。與其相比，150317 工作面回采初期，回風隅角瓦斯濃度較高，最高達到0.48%，當推進距離超過80 m 后，回風隅角瓦斯濃度降低，并穩定在0.1%～0.2%范圍內。上述結果表明，采用大孔徑定向鉆孔群抽采瓦斯后，工作面回風隅角瓦斯濃度明顯降低，瓦斯抽采效果明顯，工作面生產效率提高，如圖5 所示。

圖5 瓦斯濃度與推進距離變化曲線

4 結論

以蔭營煤礦地質條件為基礎，對大直徑定向鉆孔群精準抽采技術進行了研究，研究結果如下：

1）采用理論計算方法，確定150317 工作面裂隙帶高度在36.8～63.3 m 范圍內，為保證瓦斯抽采鉆孔能夠覆蓋頂板裂隙帶，設計抽采鉆孔垂直高度為35～65 m。

2）采用大直徑定向鉆孔群技術抽采頂板裂隙帶內瓦斯，并對鉆孔參數進行了設計。根據工作面回采期間瓦斯抽采監測數據，并對比相鄰150315工作面回風流及回風隅角瓦斯濃度數據，采用大孔徑定向鉆孔群抽采瓦斯后，工作面回風隅角瓦斯濃度明顯降低。