钱家营矿高位钻孔瓦斯抽放参数研究

王剑光 韩 瑜 王 骞

（1.山西省朔州市中煤平朔潘家窑煤业有限责任公司，山西省朔州市，036000；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100813）

钱家营矿高位钻孔瓦斯抽放参数研究

王剑光1韩 瑜2王 骞1

（1.山西省朔州市中煤平朔潘家窑煤业有限责任公司，山西省朔州市，036000；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100813）

根据采空区上覆岩体三带理论，以钱家营矿1374工作面为例，计算出了裂隙带的分布范围。采用数值模拟手段，对该工作面的裂隙带分布状况进行探索，结果显示，经验公式的计算结果与数值模拟结果基本吻合。采用理论分析成果指导该工作面的高位钻孔瓦斯抽放工作，结果表明瓦斯抽放浓度在10%左右，说明抽放钻孔的终孔位置确实在裂隙带的中下部。

瓦斯抽放 高位钻孔 裂隙带 钱家营矿

回采工作面瓦斯涌出量来自煤壁及采落煤体涌出的瓦斯和采空区涌出的瓦斯。当采空区瓦斯涌出量所占比例较大时，单纯采用上隅角埋管抽放难以解决问题，特别是当煤层具有自然发火倾向时，由于上隅角埋管抽放的瓦斯浓度相对较低，容易造成采空区漏风。此时，就需要采取抽放采空区内高浓度瓦斯的措施，高位钻孔抽放 （又称钻场抽放）是一种不错的选择。

所谓高位钻孔抽放法即是在回风巷道内侧或外侧设钻场向采空区上方打钻抽放瓦斯，该技术措施的效果主要取决于抽放钻孔的布置，特别是终孔位置的布置，位置偏高，抽放的瓦斯流量太小，反之，则抽放的瓦斯浓度太低。

目前，确定高位钻孔瓦斯抽放参数的方法有多种，本研究采用数值模拟、理论分析和现场瓦斯抽放试验相结合的方法进行研究。

1 试验工作面概况

试验工作面为钱家营矿1374工作面，该工作面位于-600 m水平1～3采区7＃煤层，东部有沙河大坝及煤矿排矸铁路通过。采面上风道长1178 m，下运道长1137 m，平均1157.5 m。采面倾斜长度平均174.7 m。该工作面倾斜上方1373E已采完，倾斜下方为1375W工作面，上覆5＃煤层1353W、1354W工作面已回采，下伏煤层压茬工作面无工程。

1374工作面属于稳定煤层，煤层厚度1.9～8.7 m，平均4.35 m。局部煤层松软易片帮，煤层底部有0～0.5 m泥岩夹矸。煤层走向在N50°～N80°之间。

7＃煤层顶板为砂岩裂隙含水层，巷道涌水量小。裂隙发育时局部有滴淋水。上覆1353西采空区可能有积水，积水空间大小为3300 m3，对1374西回采有影响。上邻1373西和1178东采空区积水对本工作面回采无影响。工作面内有封闭不良钻孔钱100，其封孔过程中孔内掉入钻具。最大涌水量0.2 m3／min，正常涌水量0.1 m3／min。绝对瓦斯涌出量为3.337 m3／min，煤尘具有爆炸性，爆炸指数41.66%，煤层无自然发火倾向。

1374工作面回采位于三采区西翼，工作面地质构造较为复杂，掘进期间共揭露断层22条，其中对回采有较大影响的断层7条，受断层影响，造成局部全岩及薄煤断层附近顶板稳定性变差，顶板破碎易冒落。

2 试验工作面的高位钻孔参数计算

采空区沿垂直方向由下而上分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。若把钻孔布置在冒落带内，随着工作面推进，高位钻孔位于矸石自然堆积区内受工作面通风量的影响，故此区域瓦斯浓度不稳定，抽出瓦斯浓度低、抽出瓦斯量小、抽放效果差；若把高位钻孔布置在弯曲带岩煤层内，由于岩层保持原有的完整性，透气性差，则不易抽出瓦斯。为此，抽放钻孔应布置于裂隙带煤岩层中。裂隙带瓦斯主要通过煤体或裂隙，以渗流的形式流入裂隙带，其受工作面风量变化的影响较小，其内瓦斯浓度也较大。另外钻孔布置在裂隙带，受采动影响较小，不易破坏，便于抽放钻孔长期稳定地抽出高浓瓦斯。

根据采矿理论，采空区上方冒落带高度和裂隙带高度的计算公式分别如式 （1）和式 （2）所示：

式中：Hm——冒落带高度，m；

M——煤层厚度，取4.35 m；

K——岩石碎涨系数，取1.25；

Hl——裂隙带高度，m。

经计算，Hm＝17.4 m，Hl＝43.18 m。

由于高位钻孔的终孔位置布置在裂隙带内，则它距煤层底板的高度应大于冒落带高度而小于冒落带高度和裂隙带高度之和：

式中：H——终孔位置距煤层顶界的高度，17.4 m＜H＜60.58 m。

一般来说，终孔位置应布置在裂隙带内，而裂隙带的范围很大，这就导致H的取值范围广。这就存在一个问题，即终孔是布置在裂隙带的中上部，还是中下部。如果布置在中上部，瓦斯浓度高，但流量小；如果在中下部，则瓦斯浓度低，但流量大。钱家营矿为低瓦斯矿，瓦斯对安全生产的影响表现为上隅角瓦斯超限，因此，终孔应布置在裂隙带的中下部。即终孔位置可定在裂隙带底部四分之一的位置，计算公式为：

图1 高位钻孔空间尺寸示意图

高位钻孔在煤岩层内的空间位置见图1。图1中，终孔位置沿煤层倾向至回风巷的距离Y一般为工作面长度的五分之一，倾斜长度平均166 m，这里可取33.2 m。裂隙带沿采空区方向为距离工作面30～100 m的区间，终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离X应在30 m以上，这里可取80 m。钻孔与风巷的夹角a、钻孔的仰角β和钻孔深度L之间的关系为：

式中：a——高位钻孔与巷道轴线水平方向的夹角，（o）；

Y——终孔位置沿煤层倾向至回风巷的距离，m；

X——终孔位置沿煤层走向至开孔位置的距离，m。

式中：β——高位钻孔与巷道轴线垂直方向的夹角，（°）。

式中：L——高位钻孔长度，m。

从工作面回风巷向采空区上方打高位钻孔，应每隔一定距离进行一次施工，为实现钻孔之间的有效接替，前一钻孔随着工作面的推进失去作用后，后一钻孔立即发挥作用，相邻两个钻孔的空间位置关系见图2。图2中，后一个钻孔终点的垂线与前一个钻孔有一个交点，且该点的高度与冒落带的高度相等，因此，钻场间的距离S应满足以下关系：

式中：S——高位钻场间的距离，m。

图2 两个相邻钻孔空间位置关系示意图

经计算：S＝36.2 m。

高位钻孔施工工艺为：在回风巷沿煤壁开钻，与巷道轴线水平方向的夹角为22.5°，与巷道轴线垂直方向的夹角为15.4°，施工钻孔总长89.8 m，每隔36.2 m施工一组。

上述研究成果是基于经验公式和简单的理论分析得出来的，为提高高位钻孔参数设计的可靠性，接下来采用数值模拟的方式寻找采空区上方裂隙带的位置，为最终确定钻孔布置方案提供理论依据。

3 试验工作面的高位钻孔终孔位置数值模拟

根据上述分析可知，高位钻孔瓦斯抽放成功与否在于钻孔终孔位置的选择，这与采空区上覆岩体的裂隙分布规律密切相关，为此，采用数值模拟手段来寻找采空区上覆岩体的裂隙分布位置，并与理论分析计算相结合，共同指导矿井瓦斯抽放工作。

不同的矿井 （甚至于同一矿井的不同区域），其地质条件不一样，因此，数值模拟需要有针对性。根据煤层地质条件，数值模拟方案如下：煤层厚度为4.35 m，但是，为便于进行模拟，在模拟计算中取4.0 m；煤层埋藏深度600 m，其产生的地应力约为15.0 MPa；工作面长度160 m；煤体强度为10 MPa，岩层的强度为40 MPa。建立数值模型见图3。

图3 采空区上覆岩体裂隙分布数值模型

数值模型尺寸为200 m×70 m，划分为100×35个单元，模型的四周为岩层，中间为煤层 （180 m×4 m）；模型的上下边界条件是应力边界条件，其值固定为15 MPa；左右边界条件是位移边界条件，其值为0。

图4 采空区上覆岩体裂隙分布数值模拟过程图

根据所建立的数值模型进行数值模拟，其结果见图4。

在图4中，黑色的区域代表开挖地带或煤体破裂位置，由图4可知，当煤体被开挖后，开挖空间上方的部分相当于采空区上覆岩体。在开挖后初期，在采空区中央的上方，岩体首先破裂，紧接着，破裂区域向两侧发展；中央的岩体开始垮落，破裂带进一步向上方推进，两侧的破裂范围也越来越大。从总体上看，从中央到两侧，破裂带的高度呈弧线下降，最高位置离煤层顶板约52 m；在采空区两帮的上方存在不同程度的破裂范围，这是因为此处应力集中，接近模型的边界，因此，容易破裂。

简单的理论计算结果显示的裂隙带距煤层顶板的距离约为60.58 m，而数值模拟结果的这个数据只有52 m；数值模拟采用的是4.0 m的采高，而理论计算用的是4.35 m的煤层厚度，按比例推算，数值模拟的裂隙带距煤层顶板约57 m。因此，两者相差约3.5 m，相对误差约为5.8%，对于一般的工程问题来说，这个误差不算太大。

由此可见，对于钱家营矿1374工作面来说，采用简单的理论计算得出的采空区上覆岩层裂隙带分布范围基本正确，利用这个结果设计的高位钻孔参数也基本合理。

4 钱家营矿高位钻孔瓦斯抽放实践

根据上述设计的高位钻孔瓦斯抽放参数，指导1374工作面的瓦斯抽放钻孔施工，并进行了瓦斯抽放。采集了2009年3月—6月的瓦斯抽放混合流量与纯瓦斯流量数据，绘制出相应的瓦斯抽放监测曲线见图5。

图5 高位钻孔抽放瓦斯监测曲线

根据图5可知，高位钻孔混合流量为40000 m3／d左右，总流量为4585121.1 m3；高位钻孔纯瓦斯抽放量在3000 m3／d左右，抽放瓦斯总量为523995.6m3；瓦斯抽放浓度不高，在10%左右，这也证明了所设计的高位钻孔终孔位置确实在裂隙带的下部；整个瓦斯抽放过程除前期有所波动以外，总体上基本趋于稳定。实施高位钻孔瓦斯抽放措施后，该工作面回风巷瓦斯浓度由0.46%下降到了0.18%，该瓦斯抽放技术措施对防止瓦斯超限作出了积极贡献。

5 结论

（1）根据经典的采空区上覆岩体三带理论，以钱家营矿1374工作面为例，计算出了裂隙带的分布范围；采用数值模拟手段，对该工作面的裂隙带分布状况进行探索，结果显示，经验公式的计算结果与数值模拟结果基本吻合。

（2）在根据经验公式得出高位钻孔瓦斯抽放过程参数 （钻孔终孔点距煤层顶界的高度、钻孔轴线在风巷方向上的投影长度及钻孔终点在垂直投影到风巷的距离）的基础上，推导出了高位钻孔施工参数 （钻孔深度、钻孔与风巷的夹角和钻孔的仰角）计算公式，并成功应用于钱家营矿1374工作面。

（3）钱家营矿1374高位钻孔瓦斯抽放实践显示：瓦斯抽放浓度在10%左右，不是很高，说明抽放钻孔的终孔位置确实在裂隙带的中下部。

［1］俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［2］刘泽功.煤矿抽放瓦斯技术发展现状及展望 ［J］.中国煤炭，2000（8）

［3］涂兴子，徐守仁，吕庆刚.几种煤矿井下瓦斯抽放方法 ［J］.煤矿安全，2003（12）

［4］林柏泉.矿井瓦斯防治理论与技术 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1998

Research on high-level borehole parameters for gas drainage in Qianjiaying Coal Mine

Wang Jianguang1，Han Yu2，Wang Qian1
（1.Panjiayao Mining Co.，Ltd.，Chinacoal Pingshuo Group Co.，Ltd.，Shuozhou，Shanxi 036000，China；2.Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

Taking 1374 mining face of Qianjiaying Coal Mine as an example，the distribution arrange of fissure zone was calculated according to the“Three Zones Theory”of overlying rock mass.By the aid of numerical simulation，the distribution arrangement of fissure zone of 1374 mining face was analyzed.The results showed that the simulated results are basically consistent with the results calculated from the empirical formula.The theoretical analysis results were used to guide the gas drainage from high-level boreholes.The concentration of drained gas is 10%，suggesting the end of boreholes located in the middle and lower part of fissure zone.

gas drainage，high-level borehole，fissure zone，Qianjiaying Coal Mine

TD712.6

A

王剑光 （1979-），男，河北唐山人，毕业于中国矿业大学采矿专业，硕士研究生，现任潘家窑煤矿总工程师。

（责任编辑 张艳华）