高位定向长钻孔抽采上隅角瓦斯技术实践研究

2022-08-19徐立鹏刘会泉陈志勇

中国设备工程 2022年15期

徐立鹏，刘会泉，陈志勇

(1.陕西省渭南市白水县煤炭局，陕西渭南 714000；2.韩城市枣庄实业有限公司，陕西韩城 715400；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

对于U 型通风方式的采煤工作面，上隅角极易形成瓦斯积聚区，严重威胁工作面安全生产，该问题一直是煤矿瓦斯治理的难题，也是当前工作面高产高效研究的热点。采空区埋管瓦斯抽采方法简单，但由于支架间漏风量大，抽采效果较差；传统高位普通钻孔有效抽采时间较短，布置钻孔较多，工程量较大，经济效能较低。近年来，煤矿井下定向长钻孔瓦斯抽采技术取得长足进展，许多煤矿将定向长钻孔抽采技术运用到上隅角瓦斯治理中，取得了显著成效。许石青等人利用数值模拟和理论计算的方法优化高位钻孔布置参数，实现远距离定向抽采采空区瓦斯。张亚潮等人提出的“高位定向钻孔与上隅角迈步式埋管抽采模式”，可以有效解决上隅角瓦斯超限问题，保障采煤工作面安全回采。桑北煤矿11308综放工作面煤层厚约5m，回采过程中采空区顶板上覆岩层应力重新分布过程中形成大量裂隙通道，邻近煤层直接向采空区释放瓦斯，易引起上隅角瓦斯超限，瓦斯防治任务艰巨。因此，桑北煤矿将利用高位定向长钻孔抽采技术治理上隅角瓦斯，确保11308 工作面顺利回采。

1 试验工作面概况

桑北煤矿系民营股份制企业，由陕西黄河矿业有限责任公司牵头整合韩城矿区12 家私人煤矿企业的新建煤矿，为突出矿井，设计生产能力1.20Mt/a，主采3#煤层，2#煤层局部可采。

11308 工作面为矿井首采工作面，工作面位于矿井东南部，11 采区南翼，四邻无采掘工作面，四周皆为实体煤，工作面采用走向长壁后退式采煤法，放顶煤开采，自然垮落法管理顶板。工作面走向长1625m，倾斜长189m，平均煤厚5m，原始瓦斯含量3.49~14.29m3/t。煤层含1层夹矸，夹矸厚度在100mm 左右，工作面煤层结构较简单，煤质变化小，以贫煤为主，少许无烟煤，属稳定型煤层。工作面两顺槽、回采区域分别采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯作为区域防突措施。回采期间拟采用高位定向长钻孔抽采、采空区埋管抽采等措施治理上隅角瓦斯。

2 高位定向长钻孔设计

2.1 钻孔设计依据

工作面回采后，采空区岩层逐渐垮落，煤层顶板的裂隙带会发育大量的缝隙，为瓦斯运移提供了通道。根据顶板岩层“三带”理论和瓦斯扩散－渗流理论的研究成果，结合大量的现场瓦斯治理经验，将定向长钻孔布置在裂隙带及附近区域，将会显著提高抽采效果。

2.1.1 综放工作面垮落高度范围计算

工作面回采后，随着关键层和亚关键层的断裂，上覆岩层冒落逐渐将采空区填满，填满后的岩石厚度即为冒落带的高度，计算公式如下：

式中，H1 为垮落带高度，m；M 为煤层采高，M=5.0m；K 为岩石碎胀系数，参照表1，K 取1.25(3#煤层直接顶岩性以泥岩为主，厚度0.93~15.98m，其次为粉砂岩及细砂岩，层状结构面不甚发育。其中泥岩饱和抗压强度5.64~59.42MPa，平均20.55MPa，α 为岩层倾角，α=5°。

表1 岩石碎胀系数表

由（1）式可计算出11308 工作面冒落带高度为17.6~22.6m。

2.1.2 综放工作面裂隙高度范围计算

采空区冒落带垮落后，上覆岩层受到节理裂隙的切割，在自重压力作用下内部裂隙张开、贯通，造成整体结构破坏而形成裂缝带，根据公式（2）可以计算出工作面裂缝带高度H2。

由式（2）计算出11398 工作面裂隙带高度范围为21.5~52.5m；结合冒落带理论高度，初步确定11308 工作面裂隙带理论高度为22.6~52.5m。

2.2 钻孔设计

高位定向钻孔钻场布设于11308 回风顺槽距离切眼630m 处，钻场内布置6个顶板走向长钻孔，单孔深500m，钻孔孔径165mm；水平终孔间距8m，钻孔终孔距11308 回风顺槽水平距离10~50m，钻孔终孔层位距3#煤顶板30m 左右，钻孔工程量3035m。钻孔设计如图1 所示，钻孔设计参数见表2。

图1 定向高位钻孔设计示意图

表2 定向高位钻孔设计参数表

3 高位定向长钻孔施工及效果分析

3.1 钻孔施工情况

钻孔采用ZYL-15000D 型定向钻机施工，钻进过程中通过泥浆泵产生的高压水驱动孔底马达转子回转，再通过万向轴和传动轴带动钻头回转碎岩，同时，通过不断调整孔底马达弯头朝向，进行钻孔轨迹人为控制，实现定向钻进，从而使钻孔轨迹始终在3#煤层顶板裂隙带内按既定轨迹延伸。实际钻孔孔深519~570m，钻孔工程量3325m，6个为定向长钻孔，用时41 天。

3.2 抽采效果分析

11308 工作面回风顺槽1#钻场6个定向长钻孔施工完成后，立即联管接抽，采用在线监测和人工测量相结合的方法，统计各钻孔抽采数据；工作面推采过程中，各高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度和纯量随时间变化曲线如图2~7 所示。

图2 1#定向钻孔抽采数据变化曲线图

图3 2#定向钻孔抽采数据变化曲线图

图4 3#定向钻孔抽采数据变化曲线图

图5 4#定向钻孔抽采数据变化曲线图

图6 5#定向钻孔抽采数据变化曲线图

图7 6#定向钻孔抽采数据变化曲线图

从图2~7 可知，6个钻孔初期瓦斯抽采浓度较高，随着工作面的推进，1#、2#钻孔瓦斯抽采浓度衰减较快，在2个月时间内，衰减至2%；3#、4#、5#、6#钻孔瓦斯抽采浓度虽有一定衰减，但能稳定在5%以上或更高。对于瓦斯抽采纯量，1#、2#钻孔初期浓度较高，单孔纯量高达0.92m3/min；3#、4#钻孔初期瓦斯抽采纯量较低，7~14d后，直线上升，并能长时间稳定在0.5~0.7m3/min 之间；5#、6#钻孔虽然瓦斯浓度较高，但瓦斯抽采纯量一直处于低位，在0.1~0.15m3/min 之间波动。

煤层开采后覆岩形成采动裂隙，卸压瓦斯沿导气裂隙带向上运移聚集。在工作面倾向方向上，采空区中部的导气裂隙带高度发展稍微滞后于采空区两侧的导气裂隙带高度，煤层导气裂隙带为还未发育至5#、6#钻孔控制范围内，因而在初期不能有效抽采瓦斯。越靠近采空区回风隅角，裂隙越发育，导气裂隙带高度越高，在裂隙带易形成瓦斯富集区，因而，该范围1#、2#钻孔纯瓦斯流量值较高；之后伴随着关键层的破断，3#、4#钻孔瓦斯流量值呈阶梯式增长，并达到峰值；而5#、6#钻孔抽采效果一直不佳。

经现场实测，工作面煤墙及架间瓦斯浓度0.01%~0.08%，生产过程中回风隅角上部瓦斯浓度0.38~0.56%，回风流实测最大瓦斯浓度0.52%，满足生产要求，实现了11308 工作面的安全生产。

根据11308 工作面顶板覆岩变形破坏特征，结合抽采数据分析，确定钻孔控制水平距离为巷道轮廓线35m范围内施工高位抽采钻孔抽放效果最佳；同时根据1#~6#钻孔抽采数据及生产过程中上隅角瓦斯浓度分析，将定向长钻孔布置在煤层顶板以上30 m范围内能解决上隅角瓦斯问题，满足生产要求。