顶板定向长钻孔卸压瓦斯抽采技术研究

2022-02-12白向挺邹永洺

山西焦煤科技 2022年12期

白向挺，邹永洺

(1.山西小回沟煤业有限公司，山西清徐 030400；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122)

随着煤矿采掘深度的逐渐增加，瓦斯含量和瓦斯压力越来越大，瓦斯影响安全生产的现象也越来越严重。如何有效抽采上隅角及回风流瓦斯成为瓦斯防治的重点。现常用的临近层瓦斯治理方法为回采前在回风巷施工高位钻孔预抽临近层涌出的卸压瓦斯[1]，普通高位钻孔工程量大，钻机施工期间转场频繁，同时工作面回采期间超前支架会破坏普通高位钻孔抽采管路，减小普通高位钻孔作用范围。

近年来，井下定向钻进技术逐步成熟，定向钻孔轨迹可控，严格按目标层位延伸，可提高单孔覆盖范围，实现远距离超前瓦斯管理，提高瓦斯抽采效率，减少安全隐患[2-4]. 定向钻孔的布置高度和间距等钻孔参数对定向高位钻孔瓦斯抽采效果具有重要影响，现有研究多通过经验分析或理论计算确定定向钻孔施工参数。小回沟矿为高瓦斯矿井，现采用普通高位钻孔进行卸压区域瓦斯抽采，为有效抽采2202工作面回采期间卸压瓦斯，提出利用定向长钻孔代替普通高位钻孔进行煤层卸压区域瓦斯抽采。根据小回沟矿回采工作面上方岩层排布情况，通过相似材料模拟工作面回采后上方岩层动态变化情况，确定定向钻孔施工参数，并分析抽采效果。

1 定向长钻孔代替普通高位钻孔卸压瓦斯抽采原理

1.1 定向长钻孔抽采卸压瓦斯分析

定向高位钻孔与普通高位钻孔抽采原理相同，相比之下普通高位卸压瓦斯抽采存在以下缺点：钻孔向前控制范围较小，存在空白区域，钻孔无效进尺增多，导致瓦斯抽采效果较差;在回采过程中，施工地点较多，后期维护量较大。

定向长钻孔具有以下优势：定向钻进可以保证钻孔在规定的岩层中严格按照设计轨迹钻进，提高有效钻进长度，避免盲区的发生；可施工距离较长的钻孔，钻孔抽采段内的有效距离增加；定向钻孔施工量少、施工时间较短；钻机功率强劲，具有较大的扭矩力和给进起拔力，适应多种强度的岩层，单孔进尺最大可达千米，从而减少钻场数量，抽采效果较好[5]. 不同钻孔有效抽采区域对比见图1.

图1 不同钻孔有效抽采区域对比图

1.2 顶板裂隙形成机理及“O”型圈理论

当开采工作面中的煤层时，煤层上方岩层悬空距离达到一定程度后，顶板岩石发生垮落，工作面持续推进，较硬的岩层或关键层顶板垮落，称之为初次来压[6]. 伴随工作面的不断推进，每间隔一定周期关键层就会发生一次垮落，工作面会随之形成周期性来压。根据顶板岩层缝隙发育变形情况，煤层上方岩层从上至下分为弯曲下沉带、裂隙带、冒落带。当工作面后方采空区内部面积达到一定数值时，处于采空区中间位置的顶板缝隙趋于被压实状态，采空区周围出现裂隙通道，其形态类似于顶板裂隙的“O-X”形，即“O”型圈，是煤层正常开采中相邻煤层卸压瓦斯涌入采空区的重要途径[7],见图2. 将钻孔设计在瓦斯富集区，保证了钻孔的长时间抽采效果，同时有效地控制了工作面上隅角的瓦斯。

图2 瓦斯流动“O”形圈原理图

2 定向长钻孔卸压瓦斯抽采关键参数

2.1 工作面概况

试验工作面选在小回沟矿二采区北侧，开采煤层为2号煤层，平均厚度2.43 m，上覆03号煤平均厚度0.50 m，2号煤与上覆03号煤平均间距5.0 m，工作面走向长度为1 440 m，倾向长度240 m. 2202工作面瓦斯绝对涌出量为14.95 m3/min，相对涌出量为6.5 m3/t，2202工作面上部为03号煤层，2号煤层回采后03号煤层会随顶板跨落到回采工作面的采空区，导致工作面生产过程中瓦斯涌出量增加。

2.2 上覆岩层“三带高度”计算

2号煤顶板主要为砂质泥岩、泥岩和粉砂岩，局部为细～中粒砂岩，单向抗压强度20～40 MPa，属中硬岩石。根据冒落带、裂隙带理论计算公式，高度计算结果见表1.

表1 冒落带、裂隙带高度计算结果表

2.3 相似材料模拟上覆岩层裂隙发育

为模拟2号煤开采过程中工作面上方岩层排布情况，结合试验工作面的条件，建立相似模拟试验架尺寸：长2 850 mm ×宽300 mm ×高2 000 mm，设几何相似比为100，密度相似比1.67. 同时，模型与实体对应点的运动应该是相似的。

为了观察工作面回采过程中岩层的变化规律，在模型中设置位移观测点。模型共布置有297个100 mm×100 mm网格(11行27列)，共有336个位移观测点。

伴随回采工作面的模拟推进，在采空区两侧展现出的垂向裂隙逐渐向上延展，在模型的中间位置，2号煤层顶板受到开采扰动破坏较为严重，出现了随采随冒的现象，当回采工作面推进107 m时，上覆岩层缝隙“三带”特征图见图3. 通过图3分析得知，0～24.5 m为冒落带，24.5～36 m为裂隙带，36 m以上为弯曲下沉带。高度综合分析见表2.

图3 工作面推进107 m上覆岩层缝隙“三带”特征图

表2 上覆岩层“三带”高度综合分析表

2.4 定向长钻孔布置关键参数

伴随工作面的推进，裂隙逐渐向上发育，采动影响下形成的裂隙可以成为邻近03号煤层及采空区瓦斯的运移通道,即裂隙带高度24.5～36 m适合布置定向长钻孔。综合考虑定向钻孔代替普通高位钻孔卸压瓦斯抽采的稳定性与经济性，结合“三带”高度，将钻孔层位布置在2号煤层顶板细砂岩中，距离煤层顶板25～36 m，即裂隙带中钻孔平距12 m，钻孔沿工作面控制60 m范围，孔径120 mm，孔数为4个主孔及2个分支孔。定向钻孔左右偏移距离参照岩层破坏“O”型圈理论和抽采经验来确定，一般不大于工作面倾向长度的1/3.

3 定向长钻孔工程实践

3.1 定向长钻孔施工方案

在定向钻场内设计4个定向长钻孔，其中3号定向钻孔和4号定向钻孔开具分支孔，见图4，5.

图4 定向长钻孔左右偏移竣工图

图5 定向长钻孔侧面轨迹竣工图

3.2 瓦斯抽采数据分析

为考察定向钻孔抽采效果将数据汇总分析，见图6，7,8，9.

图6 1号钻孔效果分析图

图7 2号钻孔效果分析图

图8 3号及3分支钻孔效果分析图

图9 4号及4分支钻孔效果分析图

通过对瓦斯抽采期间数据分析可知，当终孔点在进入采空区20.3～29.4 m，瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采混合流量出现大幅度增加，说明此时顶板产生大量裂隙，单孔瓦斯抽采浓度最大为90.2%，单孔平均瓦斯抽采浓度52.6%，单孔最大混合流量为9.86 m3/min，单孔平均混合流量4.49 m3/min，单孔最大纯流量4.61 m3/min，平均纯流量为2.31 m3/min.

3.3 定向长钻孔效果分析

在工作面生产期间，分别统计工作面中部、回风隅角、生产期间回风流内瓦斯浓度，见图10.

图10 瓦斯浓度变化情况图

由图10可知，在2202工作面生产过程中，回风流内的最大瓦斯浓度0.29%，平均瓦斯浓度为0.13%；隅角最大瓦斯浓度为0.22%，平均瓦斯浓度为0.07%，工作面最大瓦斯浓度为0.29%，平均瓦斯浓度为0.12%. 通过分析工作面、回风流内部、隅角处的瓦斯浓度可知，定向钻孔抽采可以有效管控工作面回风隅角处、回风流内的瓦斯浓度。