高位钻孔瓦斯抽采终孔合理层位研究

（河南义马广宇工程设计咨询有限责任公司，河南 义马 47722330000）

高位钻孔瓦斯抽采终孔合理层位研究

张 磊

（河南义马广宇工程设计咨询有限责任公司，河南 义马 47722330000）

高位钻孔瓦斯抽采是上隅角及工作面瓦斯超限治理的重要手段，文章以新安矿为研究背景，分析了影响高位钻孔瓦斯抽采效果的关键性因素，通过理论分析与计算、现场抽采试验研究了高位瓦斯抽采钻孔终孔的合理层位。研究得出：高位钻孔终孔合理层位应落在距煤层顶板15～28.1m，距风巷巷帮距离应控制在30.6～44.5m范围内。

高位钻孔；瓦斯抽采；终孔合理层位

高位钻孔瓦斯抽采是建立在矿山压力理论基础上，利用煤层采动影响顶板岩层下沉稳定后形成的裂隙区域作为瓦斯流动的通道和聚集的场所，在进风巷或回风巷按照一定的倾角和仰角向煤层顶板施工钻孔，抽放煤层顶板裂隙和冒落空间内的瓦斯［1-2］，示意图见图1。实践表明，当高位钻孔的终孔位置处于工作面顶板上部的裂隙带时，在抽放负压的作用下，煤体裂隙中的大量卸压瓦斯经由钻孔被抽出。所以高位钻孔对于有效处理工作面上隅角瓦斯超限和采空区瓦斯积聚都有较好的抽采效果。

图1 高位钻孔瓦斯抽采示意图

新安矿为煤与瓦斯突出矿井，随着采深的增加，矿井瓦斯涌出量及瓦斯压力均逐渐增大，常出现工作面及上隅角瓦斯超限，严重影响矿井安全生产。针对工作面及上隅角瓦斯超限主要采用高位瓦斯抽采钻孔，然而在抽采过程中常出现抽采浓度较低或抽采持续时间较短便失效。经过分析原因是高位钻孔布置的不合理，可能是终孔位置没有进入裂隙带或者进入裂隙带有效长度较短，造成抽采急速衰竭，抽采效果差。因此，准确确定高位钻孔终孔的合理层位对提高抽采效果有着至关重要的意义。

1 终孔合理层位确定

高位钻孔终孔层位应在采空区上覆岩层的冒落拱上方裂隙带中，也就是冒落带的上部和裂隙带的中下部，这样卸压瓦斯才可以通过裂隙被高位钻孔抽采，达到降低工作面瓦斯涌出的效果［3-4］。因此，准确分析采空区上覆岩层的冒落带和裂隙带是确定瓦斯抽采最优汇集区域的首要工作，文章采用理论计算和现场考察相结合的手段进行了裂隙带高度范围研究。

1.1 裂隙带高度理论计算

所研究工作面煤层煤厚平均4.2m，煤层顶底板岩性：直接顶为砂质泥岩，局部为泥岩，老顶为细-中粒砂岩，采用综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板，煤开采分层层数n=1。根据三带高度的经验公式［5］，有：

冒落带高度Hm为：

导水裂隙带（包含冒落带最大高度）HL为：

经验公式初步确定煤层顶板冒落带最大垂高为13.0m，导水裂隙带最大垂高HL范围为13.0～46.3m，即距离煤层顶板8.8～42.1m。

1.2 裂隙带高度现场考察及终孔层位确定

一般情况下，钻孔瓦斯抽采浓度及抽采混量取决于封孔质量、孔口抽放负压及钻孔口所处位置。当钻孔封孔质量、孔口抽放负压一定时，高位钻孔抽采瓦斯混量（浓度）随着钻孔终孔位置的变化曲线形态基本为抛物线型，即开始抽采时抽采瓦斯混量和浓度较小，这是因为高位钻孔周围煤（岩）层还没有卸压，邻近层瓦斯还没有解吸；随着工作面的逐步推进，高位钻孔周围煤（岩）层充分卸压，抽采浓度及抽采混量逐步增大到最高；而后经过一段稳定抽采后开始下降，这是由于高位钻孔逐渐进入到冒落带而抽入空气及邻近层卸压瓦斯源减少所致。因此根据抽采过程中的始抽段、高抽采量段和衰减段，来分析确定裂隙带高度，从而为钻孔参数优化提供依据。

1.2.1 工作面高位钻孔设计

在所研究工作面风巷距切眼100米向回采方向每隔6m施工一个高位钻孔，共施工3个作为研究试验孔，开孔位置施工在风巷下帮煤壁与顶板的交汇处的顶板上，终孔高度控制在计算得出的导水裂隙带范围之内。钻孔参数情况如表1所示，钻孔布置剖面图如图2所示。

1.2.2 高位钻孔抽采效果现场考察

对1#、2#、3#高位钻孔进行了抽采效果现场考察，各钻孔抽采效果具体见图3～5所示。

图2 工作面钻孔布置剖面图

钻孔编号孔深（m）仰角（°）方位角（°）孔口距终孔平距X（m）终孔距风巷平距Y（m）终孔距煤层高度H（m）1#2#3#105 94 92 13 15 16 30 30 25 93.36 84.27 86.75 51.15 45.40 37.37 23.63 24.35 25.39

图3 1#高位钻孔抽采效果考察

图4 2#高位钻孔抽采效果考察

图5 3#高位钻孔抽采效果考察

从图中可以看出抽采数据均呈现出先增大后减小的抛物线分布状态，这是因为随着工作面推进，钻孔终孔逐渐与采动裂隙带导通，在抽采负压作用下大量瓦斯通过钻孔排出；随着工作面进一步推进，工作面后方裂隙逐渐压实，钻孔的有效垂高降低，新形成的终孔进入冒落带内，由于冒落带岩石破碎，塌孔以及钻孔堵塞现象严重，抽采量急剧下降。

根据上述抽采数据分析，1#钻孔在8月30号-9月9号期间、2#钻孔在9月17号-9月20号期间、3#钻孔在9月11号-9月25号期间，对应的瓦斯抽采浓度较高均在60%以上且持续稳定。根据工作面推进进尺及钻孔的布置方位角计算出各钻孔在稳定抽采期间初始点与期末点所对应的终孔参数，见表2所示。

2 结论及建议

根据文章研究分析，高位钻孔瓦斯抽采终孔最佳层位应在采空区上覆岩层冒落带的上部和裂隙带的中下部，这样卸压瓦斯才可以通过裂隙被高位钻孔抽采，达到降低工作面瓦斯涌出的效果。通常采空区回风侧瓦斯浓度比进风侧瓦斯浓度要高，因此高位钻孔应施工在回风侧，建议矿方在高位钻孔设计时应保证终孔落在距煤层顶板15～28.1m，

表2 工作面各钻孔抽采浓度明显变化时数据汇总

根据矿压基本理论可知，由于受区段保护煤柱（或沿空留巷）的支撑应力作用，采空区侧靠近顺槽附近覆岩的垮落带及裂隙带均没有靠近工作面中部区域发育。因此随着与煤层倾斜方向巷帮平距的增大，裂隙带高度越大；同样越靠近工作面上下顺槽冒落带高度越低，越靠近工作面中部冒落带高度越高。

从表中可以看出，3个钻孔抽采浓度显著降低时，对应的距煤层顶板的高度范围为12.9m～15m，对应的距风巷上帮的平距范围为20.4m～30.6m；抽采浓度最大时，对应的距煤层顶板的高度范围为14.4m～28.1m，对应的距风巷上帮的平距范围为26.9m～44.5m。分析可认为冒落带的最大高度为15m，与前文经验公式计算基本一致，认为距离煤层顶板15m～28.1m为高位钻孔的最佳垂距范围，即位于裂隙带的中下部；距离回风巷上帮平距30.6m～44.5m为倾向方向高位钻孔的最佳范围。距风巷巷帮距离应控制在30.6～44.5m的层位范围内。

［1］陈赓，杨高峰，邹立强，等.朱庄煤矿高位钻孔瓦斯抽采效果主要影响因素［J］.煤矿安全，2012，43（2）：109-112.

［2］蔡文鹏，刘健，孙东生，等.顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究及应用［J］.中国安全生产科学技术，2013（12）：35-38.

［3］刘桂丽，杨跃奎，撒占友，等.高位钻孔瓦斯抽采参数优化设计［J］.西安科技大学学报，2012，32（4）：450-458.

［4］范晓刚.高位钻孔瓦斯抽采实践及效果考察［J］.中州煤炭，2013（10）：94-96.

［5］尹尚先，徐斌，徐慧，等.综采条件下煤层顶板导水裂缝带高度计算研究［C］.2013煤炭科学技术40年创新发展高峰论坛论文集.2013：138-142.

Research on the Reasonable Horizon for the EndHole of the Gas Drainage in High Position Drilling

Zhang Lei
(Henan Yima Guangyu Engineering Design Consulting Co.,Ltd.,Yima Henan 472300)

Gas drainage in high position drilling is an important means of transfinite governance on the corner and surface gas.This paper takes the Xinan Coal Mine as the research background,analyzes the key factorsaffecting high level borehole gas drainage effect,through theoretical analysis and calculation,field drainage experiment,the reasonable horizon for the end holeof high gas drainagedrilling is studied.It is concluded that:high level borehole end hole reasonable horizon should fall in 15～28.1m from the roof,theairway distance of roadway should be controlled in the range of 30.6～44.5m.

high position drilling；gas drainage；reasonablehorizon of endhole

TD712

A

1003-5168（2015）05-0072-3

2015-4-28

张磊（1988.5-），男，本科，助理工程师，研究方向：采矿设计。

［栏目责任编辑 欧阳曦］