高瓦斯矿井千米定向钻孔瓦斯抽采技术

戴丽君

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山大武木瓜煤矿，山西 吕梁 033100）

0 引言

随着开采深度的增加，伴随着地应力升高，深部煤层中的瓦斯含量也不断增大，因此需要探索更加高效、低成本的瓦斯治理方法。当前瓦斯治理主要采用通风和抽采两种方式，均可以达到消除井下瓦斯安全隐患，提高瓦斯清洁能源利用率的目的，但是，巷道通风措施仅能对已开拓巷道内部的含瓦斯空气进行流通置换，而瓦斯抽采技术则可以对当前煤层、邻近层和采空区等处的瓦斯进行集中收集和输送，因此应重点研究和发展先进瓦斯抽采技术[1-2]。

常用瓦斯抽采技术包括当前煤层顺层钻孔抽采、临近层高低位钻孔抽采、顶板大直径钻孔等，传统的高位钻孔受仰角等影响，钻孔深入裂隙带中的长度较短，对实际抽采效果产生不利影响。而顶板千米定向钻孔技术，孔的定位导向性较好，在裂隙带中的钻孔长度也较大，因此瓦斯抽采效果更好[3]。本文将结合三元煤矿实际情况，对顶板千米定向钻孔相关技术和工程实践进行研究。

1 矿井地质及通风概括

1.1 地质概括

山西三元煤业股份有限公司所开采2305综放工作面，主采山西组3号煤层。工作面倾向长140 m，走向长2 060 m，工作面东侧为实体煤，西侧为相邻工作面保护煤柱及采空区。2305综放工作面内布置1条运输顺槽及2条回风顺槽。3号煤层厚度6.3～8.4 m，平均厚度7.2 m，煤种为贫瘦煤、贫煤，煤质硬度2°~3°，煤层结构简单，可稳定开采。直接顶为厚度2.2～7.8 m的泥岩，基本顶为厚度3.2～10.2 m的中粒砂岩，距3号煤层顶部约25 m位置有厚度仅为0.5 m的不可采2号煤层。工作面底板厚度2.2～6.7 m，材质为砂岩、泥质砂岩或炭质泥岩，在距3号煤层底部约56 m位置分布着厚度3.1～4.9 m的9号煤层。

1.2 通风方式

矿井瓦斯涌出量测定表明，矿井绝对瓦斯涌出量为12.66 m3/min，相对瓦斯涌出量为2.86 m3/t，属于高瓦斯矿井，因此需注意井下瓦斯的综合治理。3号煤层瓦斯含量10.6～13 m3/t，瓦斯压力0.39～0.57 MPa，煤层透气性系数1.641～3.157 m2MPa-2/d，自燃等级为III级，属不易自燃煤层。矿井通风采用机械式抽出法，进风井为主、副立井，回风井为中央风机和南翼风井。经计算，矿井需风量为10 346 m3/min，实际供风量10 647 m3/min，回风量10 860 m3/min，主通风机负压2 770 Pa，有效风量率93%。

2305综放工作面采用U型通风方式，配风量2 400 m3/min；另外，工作面内布置高、低负压抽出系统，通过回风顺槽内直径426 mm的螺焊管对本煤层和邻近层进行高负压抽采，通过直径325 mm的螺焊管对采空区内瓦斯进行低负压抽采。

2 采空区瓦斯治理常用方法

利用分源预测法，对三元煤矿3号煤层的瓦斯涌出量进行分析和预测，可知2305工作面的瓦斯来源主要包括本煤层瓦斯涌出（17.9 m3/min）和邻近层瓦斯涌出（18.9 m3/min）2部分。工作面回采后，采空区内部分顶板垮落，顶板内裂隙进一步发育扩展，导致9号煤层瓦斯顺裂隙通道大量涌入采空区，从而对工作面回采安全造成较大影响，因此对采空区进行瓦斯抽采是工作面瓦斯治理的重要手段。采空区瓦斯抽采有以下几种方法：

1）采空区埋管抽采，是指通过在采空区内预埋抽采管路，对采空区浅部区域内的瓦斯进行抽采，该方法施工量小，但抽采范围有局限。

2）顶板走向高抽巷瓦斯抽采，是指在回风顺槽一侧的上部顶板裂隙区域内，水平掘进一条瓦斯抽采巷道，由于巷道断面大，因此上邻近层内瓦斯可充分泄压，抽采效果较好，但成本较高；

3）顶板走向穿层钻孔，是指在回风顺槽内向顶板裂隙区内施工斜巷，然后开挖钻场，再向采空区上部顶板裂隙区内钻孔，该方法抽采效果较好，但钻孔较多，持续性较差。

4）顶板千米定向钻孔，是指在回风顺槽内施工钻场，然后利用千米定向钻孔技术，向顶板裂隙带内钻孔，该方法兼具顶板走向高抽巷抽采和顶板走向穿层钻孔抽采的优点，具有抽采效率高、施工量小，在煤层回采后仍可持续对采空区进行瓦斯抽采等优点[4]。

3 顶板千米定向钻孔关键参数计算

3.1 采空区岩层变化与瓦斯积聚规律

随着回采工作面推进，采空区悬顶面积不断增大，在上覆岩体重力作用下，岩层结构发生弯曲、变形、垮落等变化，相关研究将其总结为“横三区，竖三带”，如图1所示，沿水平逆回采方向，上覆岩层变化分为煤体支护影响区、离层区和重新压实区，沿垂直方向自下而上，分为顶板冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。

图1 采空区上覆岩体结构变化区域划分

另外，上覆岩层的结构变化可分为2个阶段，第一阶段，采空区悬顶面积不断增大，由于悬顶四边有煤体固定支撑，因此变形较小，而悬顶中部在岩层自重作用下发生较大程度弯曲，由于不同岩层抗弯程度差异，因此中部岩层间逐渐发生离层。此时，顶板离层率呈现“中部高，四周低”的分布趋势；第二阶段，随回采推进，悬顶中部离层率进一步增大，最终发生垮落，由于垮落部分可起到支撑作用，因此中部区域的离层裂隙被逐渐压实，但采空区边部四周的离层裂隙仍在发展，此时，顶板离层率呈现“四周高，中部低”规律。如图2所示，在第二阶段中，采空区四周的离层裂隙带相互连通，形成裂隙“O”型圈。实践表明，在采动影响下，周边煤岩体中的瓦斯不断渗透和扩散至上述裂隙“O”型圈区域，并在其中汇聚、储存和流动，“O”型圈近工作面区域的瓦斯将对回采工作面的瓦斯浓度产生较大影响[5-6]；因此，为保证顶板千米定向钻孔的瓦斯抽采效率和抽采范围，需将钻孔布置于“O”型圈层中，以下将对钻孔的垂直和水平位置进行计算[7-9]。

3.2 钻孔布置层位计算

对于钻孔的垂直方向层位，为保证瓦斯抽采效果，应尽量位于裂隙带内，即大于冒落带最大高度，小于裂隙带最大高度。目前，对于“竖三带”高度的计算，仍无成熟的理论公式，需结合经验公式进行计算。地质勘测表明，2305工作面直接顶为泥岩、粉砂岩，属中硬岩层，因此其冒落带高度计算如下：

式中：ΣM为累计采厚，h。

2305工作面基本顶为中粒砂岩，也属中硬岩层，因此其裂隙带高度计算公式如下：

2305工作面ΣM取为7.45 m，分别代入式（1）、（2）可得，Hm=11.59~15.99 m，Hli=42.4～53.6 m，综上可知，千米定向钻孔层位高度应在16～53 m之间。

3.3 钻孔水平终孔位置计算

为保证终孔位置较高的瓦斯浓度，钻孔水平终孔位置应尽量位于“O”型圈范围内，具体表示为终孔点到回风顺槽的投影水平距离，计算公式如下：

式中：H为抽放孔的垂直层位高度，h；B为钻孔与“O”型圈外边界的距离，一般取B=0~34m；θ为裂隙带边界斜面与煤层的夹角，°；α为煤层倾角，°。

对于2305工作面，取H=25 m、B=0～34 m、θ=65°、α=5°，代入式（3）计算可得S=0～48 m。

4 现场工艺方案

在对顶板千米定向钻孔相关理论及参数计算方法研究基础上，制定了2305工作面的顶板钻孔抽采方案：在工作面回风顺槽靠近回采面一侧，依次开拓13、17、21号钻场，每处钻场施工5个定向孔，孔径113 mm，主孔钻孔长度1 000 m，投影长度600 m，每个孔钻1处支孔，支孔投影长度400 m，各钻场间定向钻孔搭接长度为30 m。工作面定向钻孔水平和垂直布置如图2所示，垂直钻孔高度为23～27m，位于裂隙带内，与回风顺槽的最大水平距离为40 m。

图2 顶板千米定向钻孔布置图

5 瓦斯抽采效果分析

为考察千米定向钻孔的瓦斯抽采效果，在工作面回采期间，对13号钻场5处钻孔的瓦斯抽采量进行了监测和分析，如图3所示，可见在瓦斯抽采初期，由于裂隙带内的裂隙通道尚未完全发育，因此瓦斯抽采浓度较小，但随着工作面不断回采推进，上覆岩层“O”型圈结构逐渐形成，采空区内瓦斯通道建立，因此监测到的瓦斯浓度逐渐上升，并最终在一定范围内稳定波动，平均抽采纯量约为25 m3/min，整体抽采效果良好。另外，瓦斯持续抽采1个月后，工作面回风侧及上隅角瓦斯浓度明显降低，浓度由0.85降低至0.48，基本消除了采空区瓦斯对上隅角影响导致的浓度超限和停机问题，提高了生产安全性。

图3 定向钻孔瓦斯抽采纯量变化

6 结论

1）三元煤矿2305工作面的瓦斯来源主要包括本煤层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，为防止邻近层瓦斯对工作面瓦斯浓度的影响，应对采空区瓦斯进行抽采治理。对比发现，顶板千米定向钻孔技术兼具抽采效率高、施工量小、维持时间长等优点，适宜采用。

2）为保证顶板千米定向钻孔的瓦斯抽采效率和抽采范围，需将钻孔布置于采空区上覆岩层变化形成的“O”型圈层中，计算可知，2305工作面千米定向钻孔垂直层位高度应在16～53 m之间，水平位置应在距回风顺槽投影距离0～48 m之间。

3）现场千米定向钻孔瓦斯抽采监测表明，抽采初期，瓦斯浓度较小，随工作面回采推进，裂隙带发育，抽采瓦斯浓度逐渐升高并趋于稳定，抽采效果良好，同时，解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。