高位钻场合理布置间距问题探讨

华 帅，毕寸光，徐 星

(1.安阳市主焦煤业有限责任公司，河南 安阳 455100； 2.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191)

瓦斯防治一直是我国煤矿开采过程中重点关注的安全问题。在采用高位抽采措施治理采空区瓦斯的研究中，众多学者从理论推导、模拟实验、现场观测等方面对采空区的漏风流态、瓦斯分布、抽采钻孔终孔点方位进行了论述，并得到了较为成熟的理论体系及实践经验[1-10]。在此基础上，本研究以高位钻场抽采的连续性为研究重点，以主焦煤矿2308工作面为研究对象，以理论分析和现场观测的方式论证主焦煤业高位钻场抽采合理间距的选取，以期为同类煤矿提供借鉴。

1 高位钻场抽采间距的确定方法

高位钻孔抽采采空区瓦斯是指在回风巷布置高位钻场，沿上隅角方向向采空区设计具有一定倾向和方位角的钻孔，打钻抽采采空区瓦斯，以达到治理上隅角瓦斯积聚的目的，相较高抽巷具有消耗精力少、经济效益相对较高、不需要布置额外施工巷道的优点。从理论上来讲，高位钻孔的抽采效果受到采空区裂隙发育程度的影响，随着每一次岩层应力的重新分布，在开采层上部一定空间范围内就会形成一个网状分布的岩层裂隙带，即煤层中瓦斯充分流动的释放区域，其高位抽采参数的计算示意图见图1。

如图1所示，与高位钻孔施工相关的参数主要有裂隙带可抽高度、钻孔轴线在巷道方向的投影长度、终孔点距离回风巷平距、有效平距、终孔高度、钻孔终孔点距煤层顶板法距、钻场间距、钻孔间距等。在实际设计时，通过计算工作面采空区裂隙带与冒落带的上顶高度，可确定钻孔终孔点OC的高度，通过计算采空区O型泄压圈的宽度(一般为巷道宽度的3～4倍)，可确定钻孔终孔点OB的长度，它们与设计抽采的孔深LZK、钻孔倾角α与方位角β满足

在反复打钻试抽后，确定合理的抽采高度与宽度，即可保证高位抽采达到治理效果。但随着工作面的不断推进，钻孔受采空区垮落的影响不断塌孔，OC的高度不断降低，当终孔点位于采空区初垮裂隙发育不成熟的位置时，抽采效果大大降低，此时需要下一组高位钻场中的钻孔接力抽采。因此，合理的钻场抽采间距可以保证高位钻场抽采效果的连续性，其理论分析示意图见图2。

图1 高位抽采参数计算示意图Fig.1 Calculation diagram of high-level zextraction parameters

图2 高位抽采钻场间距理论分析示意图Fig.2 Theoretical analysis diagram of spacing between high-level extraction and drilling fields

如图2所示，当OC≈冒落带高度时，可通过图1的三角函数关系解出LCD的值，其中LCD≈OA-LZC，即可求出钻场间距LZC。但在实际生产中，工作面上覆岩层受开采而导致应力重新分布，其各区、各带之间界限模糊且变化不规律，可通过观测抽采过程中抽采浓度、抽采纯量等数据的变化情况，再通过推进度反算出LCD的值，间接对原设计钻场间距进行重新核算。

2 主焦煤矿高位钻场合理布置间距的确定

主焦煤矿采用高位钻孔抽采方式治理2308工作面的采空区瓦斯，其设计方式为每隔 60 m设置一个高位钻场，钻场内共设18个钻孔，8个钻孔为一排，共分3排布置。前期通过试钻观测抽采效果的方式得到采空区冒落带上顶高度为8～10 m、裂隙带上顶高度为35～50 m、钻孔有效抽采半径约5 m，由此设计距开孔点最大垂距为30 m、距回风巷里帮最大水平距为30 m，钻孔布置示意图如图3所示。

图3 高位钻场布置示意图Fig.3 Layout of high level drilling field

在5#高位钻场钻孔预计终孔点位于冒落带高度附近区域时，连接6#高位钻场的钻孔进行联抽，每天测量5#钻场与6#钻场的组抽采混量、抽采纯量、上隅角瓦斯浓度数据，并制成随日推进度变化的曲线，如图4所示。图4中，横坐标为根据日推进度推算的6#钻场距离工作面上隅角处水平距离。

图4 不同日推进度下抽采数据曲线Fig.4 Curve chart of extraction data under different daily schedule

由图3与图4可知：(1)在6#高位钻场距离工作面上隅角75～82 m处，5#高位钻场的抽采混量与抽采纯量都处于较低的水平，同时6#高位钻场的抽采混量、抽采纯量保持稳定状态，原因是5#高位钻场的钻孔终孔点已处于冒落带左右，裂隙发育程度不成熟，抽采效果较差，而6#高位钻场的钻孔终孔点位于采空区初垮区域的裂隙带内。根据采空区椭抛带理论[11-15]，这个区域由于关键层的存在，裂隙发育高度较低，故推断这一断面上出现了设计孔高大于裂隙发育高度的情况，导致抽采效果较差、高位抽采的连续性较弱。结合上隅角处瓦斯浓度的变化曲线(见图5)，可认为这个区域为高位抽采的接茬失稳区，长度为7 m。

图5 不同日推进度下上隅角处瓦斯浓度平均值曲线 Fig.5 Average value curve of gas concentration at upper corner under different daily progress

(2)随着工作面的继续推进，6#高位钻场的抽采混量与抽采纯量升高并保持较为稳定的状态，同时5#高位钻场的抽采混量与抽采纯量出现了两次跳变，但同时上隅角瓦斯浓度保持稳定状态。原因是随着工作面的推进，6#钻场的钻孔随着采空区不断垮落，位于采空区裂隙带发育成熟区域，达到了设计的抽采效果，保证了高位抽采的连续性。同时，5#高位钻场的钻孔终孔点位置进一步降低，又因采空区上覆岩层的不规则冒落，出现了与采空区初垮空间贯通的漏风通道，发生了2次抽采混量与抽采纯量升高的现象，而在其他时间内，通道随着进一步垮落而封闭，5#高位钻场重新处于低效率抽采状态。

综上，可知主焦煤矿2308工作面高位钻场设计布置间距为60 m，在6#高位钻场距离工作面上隅角75～82 m处存在一个接茬失稳区，长度为7 m，在此区间相邻两个高位钻场抽采效果都处于较低水平。但随着工作面的持续推进，6#高位钻场钻孔抽采效果逐步提升，5#高位钻场抽采通道随着工作面进一步垮落而封闭、抽采效率降低。因此，考虑到采空区上覆岩不均衡冒落的因素，可将下一组抽采钻场布置间距由60 m改为50 m，避免出现接茬失稳区。并根据前面的分析，重新调整钻孔高度与水平度，确保终孔点位于采空区裂隙发育较为成熟的区域，以实现高位抽采的连续性。

3 结论

(1)主焦煤矿2308工作面现有高位钻场设计在实际生产中存在一个长度为7 m的高位钻场抽采接茬失稳区，可优化调整为50 m的高位钻场布置间距。(2)随着工作面的持续推进，当5#高位钻场的钻孔终孔点位于采空区初垮裂隙发育不成熟的位置时，抽采效果大大降低，此时需要6#高位钻场钻孔随采空区的不断垮落而进入采空区裂隙带发育成熟的区域，使抽采效果逐步提升。因此，合理的钻场抽采间距可以保证高位钻场抽采效果的连续性。(3)在以后的生产过程中，可通过观测抽采混量、抽采纯量、上隅角瓦斯浓度等数据，进一步对工作面推进过程中的采空区上覆岩垮落情况进行模糊分析及动态预测，从而对抽采设计继续优化改进，以保证工作面的正常有序开采。