综放工作面高位瓦斯抽采钻孔布置参数优化

2021-08-09李河清侯建龙

山东煤炭科技 2021年7期

李河清史建侯建龙

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西长治 046600）

煤矿瓦斯[1-2]是制约煤矿安全生产的重要因素之一，采空区上方瓦斯含量约占采煤工作面瓦斯含量的40%左右，对工作面安全生产影响巨大。

1 工程概况

赵庄二号井2307工作面开采3#煤层，煤层平均厚4.35 m，平均埋深450 m，倾角平均3°。工作面采用综合机械化放顶煤开采，走向长1 154.8 m，倾斜长175.7 m。工作面北侧为2309工作面采空区，西侧为2103、2104集中巷，南侧为实体煤，东侧为2301、2303工作面采空区。工作面布置图见图1所示。工作面回采范围内无大型断层、陷落柱等地质构造影响。该工作面采用一进一回的U型通风方式，工作面煤层瓦斯含量4.6～4.8 m3/t，瓦斯压力0.24～0.3 MPa，无煤与瓦斯突出危险性。2307工作面绝对瓦斯涌出量为4.63 m³/min，相对瓦斯涌出量2.32 m3/t。在工作面回风巷布置瓦斯抽放钻场，采用高位钻孔[3-4]治理采空区瓦斯。

图1 工作面布置图

2 原高位钻孔布置参数及存在问题

2307工作面开采前期，瓦斯抽采效果不佳，工作面隅角瓦斯浓度较高，需采取限产措施，因此对工作面通过5#钻场覆盖区域时的瓦斯抽采效果进行分析。

2.1 钻孔参数

5#钻场内布置10个高位钻孔，钻孔在垂直和水平方向均呈现扇形布置，钻孔深度在120～130 m之间，倾角7°～11°。钻孔终孔位置在距煤层顶板15.8～22.9 m之间，距回风巷的水平距离5～48.7 m。具体参数见表1，钻孔布置见图2。

表1 5#钻场抽放钻孔参数表

图2 5#钻场抽放钻孔剖面示意图

2.2 存在问题分析

工作面回采经过5#钻孔覆盖区域时， 5#钻场瓦斯抽放浓度较低，平均抽放流量和平均瓦斯纯量则仅有0.079 m³/min和 0.006 m³/min（见表1），采空区抽放效果不理想。原因如下：

（1）由于瓦斯气体密度较空气小，其会顺着采空区上部裂隙向上流动，而5#钻场抽放钻孔终孔位置在煤层上方15.8～22.9 m，约3.6～5.3倍煤厚，距离工作面冒落带较近，钻孔位于工作面裂隙带[5-6]中下部，对上部裂隙中的瓦斯抽采效果较差；同时由于5#钻场部分钻孔距回风巷距离超过40 m，处于采空区中部压实区内，裂隙在垂直方向上导通性差，不易于采空区瓦斯抽出。

（2）工作面回采过后，煤层上覆顶板随之冒落，抽放钻孔距离顶板较近，则极易造成部分抽放钻孔因坍塌而堵孔，使得钻孔塌孔失效，导致钻孔抽放效率低，工作面采空区瓦斯治理效果差。5#钻孔抽采数据见表2。

表2 5#钻场抽采数据表

3 高位钻孔参数优化

由于瓦斯气体在自重作用下向上部裂隙空间流动，故高位瓦斯抽放钻孔在裂隙带中上部的有效抽采长度越长，其抽采效果越好。根据“O”形圈理论，工作面采空区中部存在采动压实区，两侧端头存在垂直裂隙，可形成上下流动通道，对瓦斯抽采有利。因此，采用高位钻孔治理工作面采空区瓦斯，不仅需考虑钻孔在垂直方向的布置层位，同时需考虑倾向分布范围，方可实现采空区瓦斯高效抽采。

根据以往工作面三带观测，冒落带位于煤层顶板上方10.8 m，裂隙带位于煤层顶板上方10.8～30 m。结合5号钻场瓦斯抽采情况可知，钻孔终孔位置位于裂隙带中下部，且工作面倾斜长175.7 m，部分钻孔靠近工作面中部，不利于瓦斯抽采，故优化高位钻孔终孔位置。在垂直方向上，应布置在工作面裂隙带的中上部，即在煤层顶板上方23～32 m之间；在煤层倾向上，钻孔终孔位置距回风巷水平距离在8～35 m之间。由此对6#钻场的高位钻孔布置参数进行优化，以试验抽采效果。钻孔参数见表3，钻孔布置见图3。

表3 6#钻场抽放钻孔参数表

图3 6#钻场抽放钻孔剖面示意图

4 抽采效果分析

（1）钻孔抽放参数

优化后高位钻孔抽放参数见表4。由表可知，6#钻场高位钻孔的平均抽放流量为1.187 m³/min，平均抽放纯瓦斯量为0.164 m³/min，其明显高于表2中5#钻场的平均抽放流量和平均抽放纯量，而且抽放瓦斯浓度相比5#钻场也有大幅提升。

表4 6#钻场高位钻孔抽采参数表

（2）上隅角瓦斯浓度

2307工作面回采通过5#和6#钻场高位钻孔覆盖区域时，对工作面上隅角瓦斯浓度进行了持续观测。根据观测数据可知：在5#钻场覆盖区域，工作面隅角瓦斯浓度在0.35%～0.48%之间；在6#钻场覆盖区域，工作面上隅角瓦斯浓度在0.25%～ 0.35%之间。对比分析可知，通过对高位钻孔参数进行优化，工作面采空区瓦斯治理效果明显，上隅角瓦斯涌出量减少，瓦斯浓度明显降低。