综放工作面采空区高位定向钻孔抽采效果影响因素分析

曹文超，龚选平，李红波，高 涵

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤华晋集团有限公司王家岭分公司，山西 河津 043300)

随着国内矿井机械化开采水平的提升，单U型通风条件下的综采综放高效生产工作面上隅角瓦斯超限问题频发，严重制约矿井安全高效开采[1，2]。普通高位钻孔、采空区埋(插)管等传统单一采空区瓦斯治理手段无法满足单U工作面高强度开采的上隅角瓦斯治理需要[3-6]。近年来，随着定向钻进装备及精准抽采技术的不断完善，顶板高位定向钻孔已成为当前采空区瓦斯治理最有效的关键技术之一，因此，准确确定高位定向钻孔关键技术参数对上隅角瓦斯治理具有重要科学意义。

国内外学者对采空区瓦斯治理做了大量研究，程远平[7]等基于采场裂隙发育及瓦斯流动规律对定向钻孔进行了优化，提高了瓦斯抽采率；侯国培[8]、李彦明[9]对比分析了普通钻孔和定向高位钻孔的有效孔深、瓦斯抽采效果等因素，肯定了顶板高位定向钻孔的上隅角瓦斯治理效果；郝光生[10]等开展了顶板高位定向钻孔差异化布置对抽采效果的影响分析，有效降低了上隅角和回风巷瓦斯浓度；王依磊[11]等基于采空区顶板三带理论对高位定向钻孔的布置参数进行了优化，并研究了钻孔直径对抽采效果的影响。综上所述，前人学者研究主要集中于优化综采工作面高位钻孔布置参数以提升高位定向钻孔瓦斯抽采效果，针对影响高位定向钻孔抽采效果的其它因素研究较少，因此，本文在试验工作面从布置层位、钻孔孔径、孔口抽采负压三个方面对高位定向钻孔的抽采效果影响进行综合分析，对工作面高位定向钻孔影响因素进行合理优化。

1 工作面概况

王家岭煤矿12311工作面开采2号煤层，采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法，采放比为1∶1，循环进度放煤步距0.85m，采用自然垮落法管理采空区顶板；工作面走向长1316m，工作面倾向长度260m，煤层平均厚度5.9m，工作面煤层平均倾角-5°；工作面采用U型通风系统，配风量1900m3/min。工作面煤层赋存稳定，一般含1—2层炭质泥岩、泥岩夹矸；老顶为细粒砂岩，浅灰色，半坚硬；直接顶为泥岩，黑灰色，松软；直接底为细粒砂岩，浅灰色半坚硬；老底为粉砂岩，灰黑色，波状层理，粘土质胶结，层面含煤屑，12311工作面煤层综合柱状图如图1所示。

图1 12311工作面煤层综合柱状图

图2 高位钻孔布置

2 高位定向钻孔抽采效果影响因素分析

2.1 钻孔布置参数对抽采效果的影响分析

高位钻孔为达到高效抽采的要求，其布置位置应处于裂隙带中下部离层裂隙和破断裂隙发育完全的区域，此区域瓦斯浓度较高且通过裂隙通道可与采空区无障碍联通，是采空区顶板瓦斯富集区域，亦是抽采钻孔布设的理想位置。为了分析高位钻孔布置平距和层位参数对钻孔抽采效果的影响，找出合理的钻孔布置平距/层位，本次统计了矿井14个抽采钻场共计53个高位抽采钻孔的布置参数和抽采数据进行整体分析。高位定向钻孔布置层位与钻孔抽采浓度及纯量的关系如图3所示，高位定向钻孔布置平距与抽采浓度及纯量的关系如图4所示。

图3 高位定向钻孔布置层位与抽采数据散点图

图4 高位定向钻孔布置平距与抽采数据散点图

由图3(a)可知，抽采浓度比较理想的钻孔层位均在25～45m的范围内；当高位钻孔布置层位在25m以下时，钻孔抽采浓度普遍偏低，并且钻孔抽采浓度随钻孔层位的增加呈增大趋势；当高位钻孔布置层位大于45m时，钻孔抽采浓度呈减小趋势。由图3(b)可知，当高位钻孔布置层位在25m以下时，钻孔抽采纯量均在0.5m3/min以下，普遍较小，钻孔抽采纯量随钻孔层位的增加呈增大趋势；钻孔抽采效果较好的钻孔层位区间均分布于层位25～45m的范围内；当高位钻孔布置层位在45m以上时，钻孔抽采纯量呈减小趋势。综合分析53个高位抽采钻孔层位与抽采纯量及抽采浓度的规律可以得出，高位抽采钻孔的合理布置层位为25～45m。

由图4(a)可知，53个高位钻孔抽采浓度比较理想的钻孔基本分布在平距25～65m的范围内；当平距大于65m时，抽采浓度呈现减小趋势。由图4(b)可知，53个高位钻孔抽采纯量比较理想的钻孔基本分布在平距25～60m的范围内；当平距大于60m时，抽采纯量呈现减小趋势。综合上述分析，考虑到采空区瓦斯流场分布及上隅角瓦斯控制的综合因素，高位抽采钻孔合理布置平距宜选择在20～60m的范围内。

2.2 钻孔抽采负压对抽采效果的影响分析

钻孔抽采负压是引导瓦斯流动的人为施加的作用力，高位钻孔的抽采负压与采空区流场综合作用形成瓦斯运移通道，进而保证钻孔的抽采效果。一定范围内，随着钻孔抽采负压的不断增大，钻孔抽采效果逐渐提升，当负压升至到某一临界点时，受钻孔封孔段煤岩体裂隙影响，钻孔抽采效果会出现一定程度的下降。

为分析抽采负压对抽采效果的影响，确定合理的抽采负压范围，在12311工作面2#钻场进行了相关试验。2#钻场内设计施工4个定向长钻孔，单个钻孔孔长500m左右，实验区域为定向钻孔的平直段，以避免层位变化对抽采效果的影响；实验区段无地质构造，亦不在邻近构造区域影响范围内。通过工作面巷道口支管路上安设的蝶阀调整钻场抽采负压，分别对15kPa、20kPa、25kPa和30kPa的2#钻场抽采参数进行监测，4个高位定向孔的综合抽采负压、浓度和纯量等抽采数据由安设在钻场处的CJZ4Z型瓦斯综合参数测定仪将钻场抽采数据进行实时上传。高位钻场不同负压下抽采数据平均值见表1。

表1 高位钻场不同抽采负压下抽采数据均值表

由表1可以看出，在不同的抽采负压下，2#高位钻场钻孔平均瓦斯浓度未出现较大变化，基本维持在5.0%～5.3%范围内，亦说明抽采负压对钻孔瓦斯抽采浓度作用不明显；高位钻场抽采混量随负压变化出现较大变化，负压在15～25kPa范围时抽采混量呈现逐渐增大趋势，之后随负压增大抽采混量减小，总体呈现近抛物线变化趋势；不同负压作用下的抽采纯量变化规律与抽采混量变化情况相似。为进一步分析抽采负压与抽采效果的关系，以不同负压下的抽采纯量数据作为研究对象进行数据拟合，找出抽采负压对抽采效果影响的临界值和内在关系。抽采负压与抽采纯量拟合曲线如图5所示。

图5 抽采负压与抽采纯量拟合曲线

由图5可知，抽采负压与抽采纯量拟合关系表现为抛物线型二次平方关系，抽采负压与抽采纯量的对应关系为式(1)，通过式(1)可求得抽采纯量最大值时对应的抽采负压为22.7kPa，即抽采负压为22.7kPa时，高位钻孔抽采纯量最大，抽采效果最好。

S=-0.018N2+0.820N-6.1875

(1)

式中，S为钻孔抽采纯量，m3/min；N为钻孔抽采负压，kPa。

2.3 钻孔孔径对抽采效果的影响分析

高位定向钻孔有效钻孔段随工作面推进过程中顶板三带的移动而发生变化，随着钻孔孔径的增大，钻孔周围裂隙暴露数量和面积增加，在同样的抽采负压条件下钻孔抽采量和抽采有效影响半径均增大，但是受施工设备能力和施工成本影响，应结合矿井实际综合确定钻孔最优孔径。

表2 不同孔径定向钻孔抽采数据和施工成本对比表

3 高位钻孔优化方案及效果分析

3.1 高位钻孔优化设计方案

在综合钻孔布置参数、抽采负压和钻孔孔径分析结果的基础上，结合现场实际情况对12311工作面4#钻场高位定向钻孔进行了优化设计，钻孔优化设计参数见表3。

3.2 抽采效果分析

4#高位钻场按设计施工完成后接抽，通过安设在钻场分支管路上的在线监测装置对抽采数据实时收集，并对工作面瓦斯涌出数据进行月度统计，工作面瓦斯涌出及抽采纯量关系曲线如图6所示。

表3 4#高位钻场钻孔设计参数

图6 工作面瓦斯涌出及抽采纯量关系曲线

由图6可知，12311工作面4#高位钻场平均抽采纯量3.1m3/min，平均风排瓦斯量4.2m3/min，工作面平均瓦斯涌出量7.3m3/min；4#高位钻孔瓦斯抽采率为45.5%，回风流平均瓦斯浓度0.23%。高位定向钻孔抽采参数优化后抽采纯量增大1.0m3/min，抽采纯量提高47.6%，瓦斯抽采率提高15.5%，回风流瓦斯浓度减小0.15%。参数优化后的高位定向钻孔抽采纯量增大，有效降低了回风流瓦斯浓度，采空区瓦斯治理效果得到提升。

4 结 论

1)综合分析53个高位定向钻孔布置层位、平距与抽采纯量及抽采浓度的规律得出矿井高位抽采钻孔布置层位为25～45m、平距为20～60m时钻孔抽采效果较好。

2)通过对抽采负压15kPa、20kPa、25kPa和30kPa的现场试验发现，随抽采负压增加钻孔抽采效果总体呈现近抛物线变化趋势，通过曲线拟合确定钻孔最佳抽采负压为22.7kPa。

4)参数优化后的高位钻场抽采纯量和瓦斯抽采率数据明显提高，回风流瓦斯浓度有效降低，采空区瓦斯治理效果进一步提升。