顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术在孟津煤矿三软突出煤层中的研究与应用

王 迪

（河南能源孟津煤矿有限责任公司）

在煤矿采煤工作面回采过程中，由于受到采动影响，采空区上覆岩层容易出现变形，形成大量微小裂隙［1］，这些裂隙在不断扩张，贯通后成为瓦斯运移的通道，临近层的瓦斯通过这些裂隙不断向采空区涌出，导致采空区内的瓦斯浓度居高不下，严重制约了矿井高产高效发展［2］。针对这种情况，国内外学者采用在采煤工作面布置顶板走向高位钻孔对采空区瓦斯进行抽放［3］。通过实践，顶板走向钻孔终孔位置精准，抽采有效期长以及抽采浓度高，成为了目前治理采空区瓦斯最有效的技术之一［4］。

孟津煤矿所处井田位于河南省洛阳市孟津县境内，属于典型的豫西三软突出煤层［5］。矿井主采二1煤层，煤层原始瓦斯最大含量为16.37 m3/t，瓦斯压力最大值为3.1 MPa，灾害治理工程量较大。孟津煤矿11010 工作面在回采过程中，由于采空区上覆岩层受到采动影响，出现裂隙，临近煤层大量瓦斯通过裂隙进入到采空区内［6］，造成采空区内瓦斯始终处于高浓度状态，严重影响了工作面的推进速度，制约了矿井的高产高效发展［7］。为解决采空区内瓦斯聚集的问题，孟津煤矿在采煤工作面回风顺槽布置顶板走向高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采，以解决采空区瓦斯聚集的问题［8-9］。

1 11010工作面概况

孟津煤矿11010 工作面位于矿井副井东北侧，开采二1煤层，煤层厚度3.02 m，北侧为原11011采空区保护煤柱，南侧位于工业广场保护煤柱范围内，西侧为采区实煤体，东邻11030 工作面，上部赋存二2 煤层未开采。工作面原始瓦斯含量为7.62～8.95 m³/t，原始瓦斯压力为0～1.5 MPa，瓦斯放散初速度ΔP在10.5～24.0 mL/s。

2 顶板走向高位钻孔设计

根据工作面实际，在工作面回风顺槽距工作面60 和105 m 位置分别施工1 个高位钻场。高位钻孔设计如下。

11010 工作面轨道顺槽1#钻场距离切眼60 m，钻场内共设计2排6个高位钻孔，其中1#、3#、5#钻孔控制煤层顶板以上30 m，2#、4#、6#钻孔控制煤层顶板以上20 m。钻孔参数见表1。

11010 工作面轨道顺槽2#钻场距离1#钻场45 m，钻场内共设计2排6个高位钻孔，其中1#、3#、5#钻孔控制煤层顶板以上40 m，2#、4#、6#钻孔控制煤层顶板以上30 m。钻孔参数见表2。

3 顶板走向高位钻孔的施工情况及抽采分析

3.1 1#钻场的施工情况

11010 工作面轨道顺槽1#钻场严格按照设计施工到位并进行封孔连管带抽。钻孔施工完毕后绘制钻孔竣工图，见图1。

3.2 1#钻场高位钻孔抽采浓度分析

定期测量1#钻场的1#～6#高位钻孔浓度，记录工作面推进距离与各孔瓦斯抽采浓度等情况。11010工作面1#钻场单孔抽采浓度变化曲线见图2。

结合图1、图2 可以看出：1#钻孔始抽浓度为2.7%，平均抽采浓度为8.29%，在工作面回采到31.6～37.4 m 位置（距离煤层顶板14.2～17.7 m）时，抽采浓度为20%～50%，回采到43.4 m 位置抽采浓度降低为2.4%；2#钻孔始抽浓度为0.4%，平均抽采浓度为1.5%；3#钻孔始抽浓度为7.3%，平均抽采浓度为14.44%，终孔点距离巷帮22.1 m，在工作面回采到22～43.4 m位置（距离煤层顶板9.7～21.5 m）时，抽采浓度为15%～60%，回采到47.1 m 位置抽采浓度降低为1.6%；4#钻孔始抽浓度为15%，平均抽采浓度为6.41%，终孔点距离巷帮20.7 m；5#钻孔始抽浓度为4.6%，平均抽采浓度为19.63%，在工作面回采到26.2～37.4 m 位置（距离煤层顶板11.3～16.7 m）时，抽采浓度为41%～82%，回采到47.1 m 位置抽采浓度降低为0.7%；6#钻孔始抽浓度为31%，平均抽采浓度为15.85%，终孔点距离巷帮39.5 m，在工作面回采到0～13.9 m位置（距离煤层顶板11.3～13.5 m）时，抽采浓度为28%～51%，回采到31.6 m 位置抽采浓度降低为0.6%。

（1）通过1#钻场高位钻孔竣工图发现，所施工的6 个高位钻孔中，1#、3#、5#钻孔终孔位于煤层顶板30～31 m 处，2#、4#、6#钻孔终孔位于煤层顶板19～20 m 处。1#、2#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距5 m 左右，3#、4#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距为21 m 左右，5#、6#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距为40 m左右。

（2）11010 工作面7 月12 日初次来压（回采21 m），此时1#、3#、5#钻孔抽采浓度均呈上升趋势，回采到22～37.4 m，1#钻孔抽采浓度由0.5%提升至50%（距离煤层顶板14.2～17.7 m），3#钻孔抽采浓度由2.5%提升至32%（距离煤层顶板16.2～21.5 m），5#钻孔抽采浓度由0.8% 提升至82%（距离煤层顶板11.3～16.7 m）。2#、4#抽采浓度则相对较为平稳，6#钻孔则呈平稳下降趋势。

（3）2#钻孔平均瓦斯抽采浓度1.5%，4#钻孔平均瓦斯抽采浓度6.41%，6#钻孔平均瓦斯抽采浓度15.85%，说明随着采空区顶板冒落，应力传导下，2#、4#、6#钻孔处裂隙初步发育；距轨道顺槽最近的2#孔浓度最低，距轨道顺槽最远的6#孔浓度最高，正好说明了顶板冒落的顺序是从工作面中部开始向两侧发展的。

（4）1#钻场高位钻孔控制范围煤厚5 m 左右，结合竣工图中钻孔位置以及我国冒落带总结经验公式［5］（3～4 倍采高）推断：2#、4#、6#钻孔终孔未进入裂隙带，钻孔终孔处在冒落带中上部，难以抽出高浓度瓦斯。顶板裂隙带高度：中硬岩石H=20×∑M0.5+10（式中，H为裂隙带高度，m；∑M0.5为累计采厚，m），较软岩石H=10×∑M0.5+5，裂隙带高度在27.4～54.8 m，实际施工与之基本吻合。瓦斯抽采浓度较高区域为采高5～7 倍，则27～40 m（采高5～7 倍）应为裂隙带高度。

3.3 2#钻场的施工情况

11010 工作面轨道顺槽2#钻场严格按照设计施工到位并进行封孔连管带抽。钻孔施工完毕后绘制钻孔竣工图，见图3。

3.4 2#钻场高位钻孔抽采浓度分析

2#钻场的1#～6#高位钻孔定期测量每个高位孔浓度，记录工作面推进距离与各孔瓦斯抽采浓度等情况。11010 工作面2#钻场高位孔竣工图及单孔抽采浓度变化曲线见图4。

通过图3 及图4 可以看出：1#钻孔始抽浓度为0.9%，平均抽采浓度为0.74%，终孔点距离巷帮5.5 m。2#钻孔始抽浓度为1.3%，平均抽采浓度为21.24%，终孔点距离巷帮5.5 m，在工作面回采到58.4～64.3 m 位置（距离煤层顶板15～18 m）时，抽采浓度为43%～55%，回采到68 m 位置抽采浓度降低为1.6%。3#钻孔始抽浓度为6.7%，平均抽采浓度11.18%，终孔点距离巷帮20.5 m，在工作面回采到68 m 位置（距离煤层顶板32.1 m）时，抽采浓度为48%。4#钻孔始抽浓度14%，平均抽采浓度39.4%，终孔点距离巷帮20.5 m，在工作面回采到52.5～68 m 位置（距离煤层顶板13.8～23.2 m）时，抽采浓度为30%～67%。5#孔始抽浓度1.2%，平均抽采浓度5.06%，瓦斯抽采浓度较小，且起伏变化不大，终孔点距离巷帮35.7 m。6#孔始抽浓度1.2%，平均抽采浓度2.26%，瓦斯抽采浓度较小，且起伏变化不大，终孔点距离巷帮35.5 m。

（1）通过2#钻场高位钻孔竣工图发现，所施工的6 个高位钻孔中，1#、3#、5#钻孔终孔位于煤层顶板40～41 m 处，2#、4#、6#钻孔终孔位于煤层顶板29～31 m 处。1#、2#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距5.5 m 左右，3#、4#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距为20.5 m左右，5#、6#钻孔终孔点与轨道顺槽巷帮平距为35.5 m左右。

（2）11010 工作面7 月31 日周期来压（回采52.5 m），此时2#、4#钻孔抽采浓度均呈上升趋势，回采到52.5～68 m，2#钻孔抽采浓度由5.3%提升至55%（距离煤层顶板15～20.3 m），4#钻孔抽采浓度由30%提升至67%（距离煤层顶板13.8～21 m），顶板来压使得裂隙贯穿，造成瓦斯抽采浓度提高。1#、5#、6#钻孔瓦斯抽采浓度较小，起伏变化不大，3#钻孔在回采至68 m时，抽采浓度由0.6%提升至48%。

（3）通过竣工图及钻孔抽采变化曲线发现1#、3#、5#钻孔控制煤层顶板以上40 m 位置时，抽采效果相对较差，2#、4#钻孔控制煤层顶板以上30 m 位置时，则抽采效果较好。结合1#钻场竣工图及抽采浓度变化曲线可以看出，该矿裂隙带高度为27～35 m（采高5～6倍）抽采效果较好。

4 结 论

（1）1#钻场1#、3#、5#高位钻孔控制煤层顶板以上30 m 时抽采效果较好，2#钻场2#、4#、6#高位钻孔控制煤层顶板以上30 m 时抽采效果较好，通过1#、2#钻场抽采情况结合裂隙带经验公式，孟津煤矿裂隙带高度应在27～35 m（采高5～6 倍）。因此，后续施工高位钻孔时，可将钻孔终孔点布置在距煤层顶板25 和35 m处，进一步确定采空区瓦斯“三带”高度。

（2）11010 工作面在经过顶板走向高位钻孔的施工后，工作面上隅角瓦斯浓度下降至0.22%～0.32%，有效降低了采空区瓦斯对工作面推进的影响。

（3）1#钻场2#钻孔平均瓦斯抽采浓度1.5%，4#钻孔平均瓦斯抽采浓度6.41%，6#钻孔平均瓦斯抽采浓度15.85%，说明随着采空区顶板冒落，应力传导下，2#、4#、6#钻孔处裂隙发育；距轨道顺槽最近的2#孔浓度最低，距轨道顺槽最远的6#孔浓度最高，正好说明了顶板冒落的顺序是从工作面中部开始向两侧发展的。