定向长距离高位岩层瓦斯抽放钻孔在瓦斯治理中的应用

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿，江苏 徐州 221600）

孔庄煤矿IV1采区瓦斯赋存受8煤层影响较大，已回采过的工作面均表现出瓦斯涌出不均衡的特点。前期在工作面回采期间采用传统的高位钻孔方式抽放采空区瓦斯，但是传统高位钻孔方式在挪移钻场时容易出现抽放空白期，即挪移后钻场不能立即启用。且受钻孔压茬的影响，传统高位钻孔的利用率较低，甚至不足60%。为此，研究提出了应用定向长距离高位岩层瓦斯抽放钻孔抽放瓦斯的技术方案，对传统高位钻孔的布置进行了改进，提高瓦斯治理的针对性、合理性和经济性。

1 采煤工作面瓦斯赋存情况

7434 综放工作面为IV1采区西翼第二个7煤回采工作面，经鉴定IV1采区7、8煤均为II类自燃煤层，且煤尘具有爆炸性。工作面标高-762m～-866m，走向长1235m，设计工作面净长197m（平距），工作面上至7432采空区，下至-860等高线，东到7434停采线，西至工业广场保护煤柱。工作面煤层厚度3.8～4.7m，平均厚度4.19m，工作面煤层倾角在18°～25°，平均倾角23°。本工作面煤层结构简单，材料道Y12-Y13测点范围内有夹矸，夹矸厚度0.4m，夹矸岩性为泥岩；溜子道L36点前25m至L37点前25m范围内有夹矸，夹矸厚度0～0.8m，岩性为泥岩，整体呈东部略厚，西部稍薄。由于IV1采区西翼8煤层存在缺失区，7434综放工作面不同区间瓦斯涌出规律受下方出现8煤层赋存的影响。7煤层实测原始瓦斯含量为3.68 m3/t，8煤实测原始瓦斯含量为4m3/t。工作面回采期间瓦斯涌出量预测结果表明，7434综放工作面下方8煤的赋存情况对瓦斯涌出影响较大，因此根据8煤赋存情况将工作面划分为三个区间。如图1所示。

区间1：位置为切眼后退611m，7煤平均厚度为4.19m，无8煤，预测瓦斯涌出量1.973m3/t；区间2：位置为8煤尖灭区至可采线，7煤平均厚度为4.19m，8煤煤厚0.8m，7、8煤间距9.6m，预测瓦斯涌出量2.165m3/t；区间3：位置为8煤尖可采线至停采线，7煤平均厚度为4.19m，8煤煤厚4.0m，7、8煤间距9.3m，预测瓦斯涌出量2.935m3/t。

图1 7434综放工作面各区间划分情况

图2 7434综放工作面回采期间绝对瓦斯涌出量情况

由图2可以看出，在区间1下方无8煤层区域工作面平均绝对瓦斯涌出量约为0.65m3/min，在区间2下方逐渐出现8煤区域工作面平均绝对瓦斯涌出量约为1.00m3/min，在区间3下方8煤达到4m的区域工作面平均绝对瓦斯涌出量约为2.00m3/min。由此可以得出工作面回采期间各区间绝对瓦斯涌出规律基本符合预测瓦斯涌出规律的特点，受邻近8煤层赋存影响较大。

2 定向长距离高位岩层瓦斯抽放钻孔设计及实施

根据工作面瓦斯抽放设计，工作面回采期间采用采空区埋管及高位钻孔相结合的瓦斯抽放组合模式。采空区埋管瓦斯抽放系统运行相对稳定，但高位钻孔瓦斯抽放系统受钻场频繁交错的影响，挪移钻场期间瓦斯抽放系统运行效果相对较差，且钻孔的有效利用率较低。为此，结合定向钻机的特点，在区间3回采期间提出了施工定向长距离高位岩层瓦斯抽放钻孔的方案。

施工采用ZYWL-6000DS双履带式全液压定向钻机，根据7434工作面冒落带高度及本工作面已施工钻场资料，并结合采煤工作面巷道布置条件，本次钻孔终孔层位位于煤层顶板之上的稳定砂岩层中，初步按照工作面采高约4～7倍计算。1#、3#和5#钻孔控制层位为顶板以上29m的稳定砂岩中，2#、4#和6#钻孔控制层位为顶板以上19m的稳定砂岩中。钻孔进入目标层位钻孔轨迹平距（距7434材料道）控制范围为10～35m范围。1#钻孔平距为10m，钻孔之间平距为5m。为防止钻孔塌孔及方便钻孔瓦斯抽采，钻孔将设计沿煤层顶板穿行，终孔落在目的层位，单孔孔深设计为420m。

钻孔开孔均使用Φ96mm钻头钻进至16m，用Φ146mm钻头扩孔钻进至15m下Φ127mm套管15m并固结套管，套管采用双液浆（水泥、水玻璃）固结，等凝固24h后管口安装闷盘，做注水试验。注水试验压力保持在1.0MPa以上，稳定半小时后，套管不松动并且套管外壁不渗水，注水试验合格，套管不存在漏气现象。

3 抽放效果分析

3.1 瓦斯抽放整体效果分析

随着7434工作面逐渐进入区间3，工作面下方8煤达到可采线范围后，工作面瓦斯涌出量开始增加。工作面上隅角及回风侧瓦斯浓度均有明显升高趋势，上隅角瓦斯浓度最高达到0.53%，回风侧瓦斯浓度最高0.31%，并且随着工作面产量的增加瓦斯涌出量仍有继续上升的趋势。为此开启了定向长距离高位岩层瓦斯抽放系统，运行期间抽放效果如图3所示。

图3 抽放系统运行期间相关瓦斯浓度情况

根据工作面推进情况预计，抽放系统运行期间对应这一抽放效果的初始点为工作面至高位钻场147m，设备开启4h后，抽采瓦斯浓度由最高3.93%快速下降并逐渐稳定在0.5%左右；上隅角瓦斯浓度也由最开始的0.5%快速下降至0.3%，并最终稳定在0.22%左右；工作面回风侧瓦斯浓度下降速度相对较缓，由0.3%逐渐降至0.1%左右。从以上可以看出，定向长距离高位岩层瓦斯抽放系统运行期间，不管是上隅角瓦斯浓度还是工作面风排瓦斯量均明显降低，抽放效果较好。

3.2 长距离高位岩层钻孔抽放效果分析

为进一步验证高位钻孔运行期间各钻孔瓦斯浓度，于10月7日至11月29日利用CJZ7瓦斯综合参数测定仪对钻场单孔瓦斯、流量及负压进行参数采集统计。

图4 钻孔抽放期间瓦斯浓度、负压、流量变化曲线

由图4可看出工作面回采至8煤可采区运行瓦斯抽放系统后，根据采集数据可以看出1#、2#、4#钻孔单孔流量相对稳定，平均流量分别为5m3/min、5m3/min、4.7m3/min，抽采平均瓦斯浓度6%、4.9%、5%。1#钻孔层位在煤层顶板上方29m内错材料道10m，2#、4#钻孔层位在煤层顶板上方19m内错材料道分别为15m和25m。该区域煤壁侧裂隙发育，加之回采期间上隅角退锚落顶较好，同时随着工作面的推进，在工作面形成一个采动压力场，在这个压力场中形成了大量裂隙和空间，给瓦斯运移和储存提供了通道和足够的空间，因此钻孔连通的顶板岩层裂隙带与采空区沟通较好，单孔抽放瓦斯浓度较高，抽放管路负压相对稳定。因此，1#、2#、4#三个瓦斯抽放孔比3#、5#、6#瓦斯抽放钻孔抽采瓦斯效果好。

经对7434回采工作面高位钻孔瓦斯抽放效果的数据分析，1#、2#、4#钻孔相对应的煤层顶板层位为19～29m，平距材料道10～25m，该区间瓦斯抽放浓度在5%～6%之间，瓦斯抽放量5m3/min，瓦斯抽放量较为稳定，可保持工作面的连续抽采。

4 结论

为进一步提高工作面瓦斯治理针对性和瓦斯抽放效果，消除7434工作面受8煤层影响瓦斯涌出不均衡的风险，根据工作面煤层瓦斯赋存、受8煤层影响及7434工作面瓦斯涌出情况，研究提出了定向长距离高位岩层瓦斯抽放钻孔抽放瓦斯的技术方案。抽放系统运行后工作面上隅角及回风巷内瓦斯浓度明显降低，瓦斯治理效果较好。从单孔瓦斯抽放运行效果分析，终孔位置处于距煤层顶板19～29m、平距材料道10～25m区域为最佳抽放位置，可以为今后工作面高位瓦斯抽放孔参数的布置提供设计依据和瓦斯治理经验。