采动裂隙带高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用探析

(平煤股份勘探工程处，河南 平顶山 467000)

0 引言

在煤矿开采的过程中，瓦斯是其最大的自然灾害之一，随着开采作业越来越深入，井下瓦斯涌出量也不断增加。目前，大部分矿井都采用了综采放顶煤开采，采空区会出现大量的瓦斯，对开采作业的安全性造成了较大的威胁，因此如何对瓦斯涌出进行有效的治理是避免上隅角瓦斯超标的关键。目前，采空区开展抽采作业所采用的方法主要有地面井抽采、高位定向长钻孔抽采等等。在这些方法中，高位定向长钻孔具有较多的优势，如较大的覆盖面积、较高的瓦斯浓度、较大的流量等，并且施工较为迅速，钻场布置较为灵活，缩短了施工时间，降低了巷道的任务量等等。目前，该方法已逐渐成为瓦斯治理的核心技术，可以将回风巷及上隅角中出现的瓦斯超限问题进行有效的处理。本文通过对这种抽采技术的工作原理进行分析，运用FLAC3D数值模拟的方法，明确裂隙带的发育高度及各个施工参数，并对该技术的应用效果进行详细分析。

1 工作面的实际情况

2201综采作业面主要以开采3号煤层为主，该煤层的构造较为复杂，赋存较为可靠，其厚度大约为6.2 m，直接顶的构成主要为泥岩及砂质泥岩，与直接顶相比，老顶的构成则多了一个粉砂岩，直接底的构成为细粒砂岩和粉砂岩。将该作业面走向及倾向的长度分别设计为1 100和180 m，采取综合机械化采煤法及完全垮落法来治理顶板。采取“U”型全负压形式来进行通风，作业面的瓦斯涌出量最大为45 m3/min，其中采空区出现了22 m3/min的瓦斯涌出量，在作业面中占据了49%，瓦斯出现了较大的涌出，在开采的过程中。上隅角中存在的瓦斯主要来自于采空区，而由于受到大气因素及作业面漏风的共同影响，其经常出现超标问题，对矿井生产的安全性造成了极大影响。鉴于此，本文提出运用高位定向长钻孔瓦斯抽采方法来治理作业面采空区的瓦斯状况，避免上隅角出现瓦斯超标问题。

2 高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的原理

在实际开采的过程中，上覆岩层将会因采动区的影响而产生变形问题。在采空区的上端将会先后出现各种垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中在纵横方向上裂隙带发育分别出现了破断和离层两种裂隙。随着作业面的深入开采，顶板的覆岩完全垮落之后，顶板岩层形成的裂隙将会被填实，而采空区周围因煤壁的影响，使上、下方岩层仍然保持相应的离层裂隙，从横向方向上的采空区边界逐渐向中间形成了支撑区、离层区等，在这两个区域间形成了一种有效的采动裂隙发育区，并且呈现出了闭合状态，这就是“O”形圈。根据相应的研究可知，这不仅仅是确保瓦斯运行的主要渠道，而且是瓦斯汇集的关键区域。当瓦斯的密度过低或采空区出现漏风时，作业面因受到这两个因素的共同影响，其上隅角周围采空区的顶板裂隙中存在较多高浓度的瓦斯。这些瓦斯由于受到气压改变及通风负压的影响，常常会利用裂隙通道而进到采掘区内，使上隅角出现瓦斯超标现象。

在作业面回风侧的顶板岩层中，高位定向长钻孔瓦斯抽采技术是根据走向进行施工的定向长钻孔，将钻孔设置在顶板的裂隙带中，详见图1，确保钻孔固定在“O”形圈内，在抽采负压的影响下，裂隙带存在的瓦斯将会在长钻孔内排出，转变瓦斯的流场状况，通过对裂隙带内的瓦斯进行截流，极大降低瓦斯的涌出量，变上隅角及回风侧出现瓦斯超限。与一般高位孔相对比，该钻孔具有较大的抽采量、较长的延伸距离、较广的覆盖区域，可以持续进行区域化抽采，具有显著的技术特征。

图1 高位定向长钻孔裂缝带布置

3 高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用

3.1 钻孔层位的选择

为了设置有效的长钻孔层位，利用FLAC3D模拟法来分析作业面中上覆岩层采动裂隙的呈现规律。选择顶板出现位移变化的位置来当作是裂隙的下限，而上限则选择即将出现变形的岩层高度。通过对顶板裂隙带在作业面掘进m时的发育状况进行模拟可知，当作业面掘进100m之后，上覆岩层的裂隙发育达到了较强的稳定性，其最终高度设置为15～48 m之间。由于下层出现了发育程度最高的裂隙带，因此钻孔必须尽可能低的设置，过高将会因裂隙较小而影响到瓦斯的抽采，经过综合考虑可将该长钻孔的层位设定为20～35 m。

3.2 钻孔布置参数

在该作业面的回风顺槽中设置钻场，其间距为400 m，相邻钻场的长钻孔应当设置60 m的搭接距离，在每一个钻场中分别设置6个顶板长钻孔，其间距均为10 m，在先后经过两次的扩孔之后，可以将其直径设置为300 m。将抽采的负压设置为25 kPa，其钻孔示意图详见图2。

图2 钻孔布置

3.3 瓦斯抽采的效果分析

在回采作业开展的过程中，对该技术的各个参数进行持续的观测，瓦斯的抽采量及浓度会随着时间的变化而改变，由此可知，瓦斯抽采的纯量及浓度分别为7.26～16.85 m3/min和28%～46%，两者的平均值分别为11.26 m3/min和35%。根据抽采结果可知，瓦斯抽采的流量较为稳定、时间较长及浓度较高，可以有效拦截到采空区的瓦斯，使作业面回风巷及上隅角的瓦斯浓度不断降低，在进行回采作业时上隅角瓦斯应当维持在左右的浓度，上隅角没有产生瓦斯超限现象，具有较好的抽采效果。

4 结语

1)2201综采作业面存在的瓦斯大多来源于采空区，同时也是导致上隅角存在瓦斯的主要因素，高位定向长钻孔具有较多的优势，如较大的抽采量、较长的延伸距离、较广的覆盖区域等，可以持续进行区域化抽采。

2)利用FLAC3D模拟法来取得本作业面中裂隙带的发育高度，大约为15～48 m，为了使抽采作业得以顺利进行，应当将长钻孔的层位设定在20～35 m之间。

3)根据现场实际应用的结果可知，这种抽采技术具有较多的应用优势，如流量较为稳定、抽采率较高等，在开展回采作业时，上隅角应当维持0.5%的瓦斯浓度，并不存在超限问题，取得了较好的抽采效果，极大确保了煤矿生产的安全性。