特厚煤层工作面定向长钻孔以孔代巷瓦斯抽采技术

杨乐乐

（陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712000）

煤层开采后采动裂隙带卸压瓦斯抽采，对于防治工作面瓦斯超限具有重要作用[1]。为提高卸压瓦斯抽采效果、保障煤矿安全生产，大佛寺矿积极探索适于该矿的瓦斯治理方法，形成了以“大直径高位定向钻孔”为主的采空区卸压瓦斯抽采技术。通过近年的大量工程实践，大佛寺矿实施的大直径高位定向钻孔代替高抽巷瓦斯抽采技术取得显著成效，实现了取消高抽巷的目标。

1 定向钻孔治理卸压瓦斯原理

煤层开采后，瓦斯运移及储集依赖于采场覆岩裂隙发育演化规律及其形态[1]。钱鸣高院士等［2］基于关键层理论，提出煤层采动后上覆岩层采动裂隙呈两阶段发展规律并形成“O”形圈分布特征。林海飞等提出了煤层回采后冒落带与裂隙带内裂隙网络发育充分，是瓦斯流动和富集的主要通道，当瓦斯抽采钻孔或巷道布置其中时，可获得较好的瓦斯抽采效果[3]。

2 工程概况

大佛寺矿井田主采4#煤层，为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量最高达210 m3/min 以上。40204 工作面采用后退式走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面走向长度1875 m，倾向220 m，平均煤厚11.6 m，属稳定厚、特厚煤层。老顶岩性主要为粗砂岩，厚度平均6.4 m，天然状态单轴抗压强度平均值为50.72 MPa，原始瓦斯含量4.69～5.23 m3/t，采用容积法计算得出40204 工作面瓦斯储量2 397.3 万m3。工作面采用运顺进风、回顺回风的“U”型通风方式，切眼风量1500 m3/min。

3 工作面瓦斯治理方案

40204 工作面回采期间采空区瓦斯治理方案：1）在工作面回风巷每400～500 m 布置一个定向钻场，在顶板砂岩层中沿走向向采空区施工10 个定向钻孔抽采采空区瓦斯；2）在工作面回风巷顶板向上25～35 m、外错80 m 处布置一个巷道向采空区施工倾向卸压钻孔抽采采空区瓦斯，外错巷道末端与开切眼顶板反井工艺贯通抽采采空区瓦斯。

工作面初采采用“外错巷道（以下简称预抽巷）+高位定向钻孔”抽采，预抽巷钻孔遇泥岩塌孔，因此，正常回采采用“高位定向钻孔+上隅角迈步式埋管”抽采。

3.1 采场覆岩裂隙发育区范围

大佛寺矿开展相似模拟试验，沿倾向方向，上覆岩层形成一定范围的充分卸压裂隙区，一般回风侧的采空区瓦斯浓度高，抽采效果好，因此工作面高位定向钻孔布置在回风巷内侧附近。如图1，可将高位定向钻孔布置于A、B、C 三个位置，A 大约位于裂隙区与压实区边界，B 位于裂隙区边界1/3处，C 位于裂隙区边界处。根据实验结果，如图2可知，A 位置与C 位置当顶板垮落后，高浓度瓦斯较难进入高位定向钻孔中。因此，高位定向钻孔与回风巷的合理平距应布置于B 位置。

图1 高位定向钻孔不同平距布置

图2 不同平距布置的高位定向钻孔垮落后形态

3.2 高位定向钻孔的布置范围

对比煤层柱状图，40204 工作面顶板向上10～12 m、16～20 m、24～30 m 有稳定砂岩层。根据经验公式[2]，计算冒落带Hm高度为21.7 m、裂隙带Hl高度为46.1～57.3 m。

式中：M为开采煤层厚度，10.8 m；k为垮落岩石碎胀性系数，1.5；α为煤层倾角，6°。

根据工作面顶板岩层关系，对比煤层柱状图，可知40204 工作面顶板向上10～12 m、16～20 m、24～30 m 有稳定砂岩层。高位定向钻孔施工情况见表1、图3。

表1 40204 工作面回风巷钻场高位定向钻孔施工情况

图3 40204 工作面回风巷钻场高位定向钻孔施工图

图4 上隅角迈步式埋管和预抽巷密闭墙抽采示意

钻孔孔径选用Φ200 mm，瓦斯抽采管路管径选取Φ450 mm。

4 抽采效果分析

40204 工作面8 月28 日回采，截至12 月下旬，工作面推采距离约600 m，工作面初次来压步距为31 m，周期来压步距约30 m。

40204 工作面推采0～620 m 段，工作面风排瓦斯涌出量1.05～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.12～26.28 m3/min，绝对瓦斯涌出量14.54～29.95 m3/min，如图5。

图5 40204 工作面瓦斯涌出量变化

1）“高位定向钻孔+上隅角迈步式埋管+预抽巷密闭墙抽采”阶段

工作面推采0～70 m 段，工作面回风瓦斯浓度0.22%～0.34%，风排瓦斯涌出量1.05～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.12～26.28 m3/min，绝对瓦斯涌出量14.74～29.95 m3/min，如图5。

高位定向钻孔抽采瓦斯量4.58～11.63 m3/min，占抽采瓦斯量的35%～57%；预抽巷密闭墙抽采瓦斯量0.91～7.82 m3/min，占抽采瓦斯量的6%～37%；上隅角迈步式抽采瓦斯量0.93～4.29 m3/min，占抽采瓦斯量的6%～16%，如图6。

图6 40204 工作面采场瓦斯抽采量变化

工作面初次来压之前，预抽巷密闭墙抽采效果较好，最大抽采瓦斯量7.82 m3/min。随着工作面推采架后落顶，密闭墙抽采效果逐渐减弱，工作面回风瓦斯浓度由初次来压前的0.22%～0.28%增大至初次来压后的0.28%～0.32%。

2）“高位定向钻孔+上隅角迈步式埋管+预抽巷采后卸压”抽采阶段

工作面推采70～135 m 段，工作面回风瓦斯浓度0.18%～0.32%，风排瓦斯涌出量2.36～4.19 m3/min，抽采瓦斯量12.34～16.27 m3/min，绝对瓦斯涌出量15.52～19.41 m3/min，如图5。

高位定向钻孔抽采瓦斯量3.36～7.5 m3/min，占抽采瓦斯量的22%～48%；预抽巷采后卸压钻孔抽采瓦斯量1.52～4.51 m3/min，占抽采瓦斯量的10%～30%；上隅角迈步式抽采瓦斯量1.58～2.32 m3/min，占抽采瓦斯量的11%～16%，如图6。

3）“高位定向钻孔+上隅角迈步式埋管”抽采阶段

工作面推采135～620 m 段，工作面回风瓦斯浓度0.1%～0.28%，风排瓦斯涌出量1.46～3.67 m3/min，抽采瓦斯量12.52～18.47 m3/min，绝对瓦斯涌出量15.14～21.12 m3/min。

由表1、表2、图7 可以看出：

表2 40204 工作面回顺钻场高位定向钻孔抽采情况

图7 不同层位高位定向钻孔瓦斯抽采量变化

1）层位是影响钻孔抽采量的关键因素。高位定向钻孔抽采量0.01～7.74 m3/min，其中第三层位钻孔（G9、G10）抽采量大于第一层位钻孔（G1～G4）、第二层位钻孔（G5～G8）。

2）平距也是影响钻孔抽采量的因素。第一层位中G1、G2 的抽采浓度、混合流量、抽采量均小于G3、G4；第一层位中G3、G4 与第二层位中G5～G8 抽采浓度、混合流量、抽采量基本相同。

3）周期来压影响钻孔抽采量。由图7 可以看出，工作面抽采量变化较大时均出现来压显现。其中，工作面推采至149 m 时，发生第四次来压，第三层位钻孔抽采量增大，占定向钻孔抽采量的18%～85%（平均值54.3%）；第四次来压前，第一层位、第二层位钻孔抽采量较大。

5 结论

1）大佛寺矿40204 工作面以高位定向钻孔为主的瓦斯治理措施，高位定向钻孔最大瓦斯抽采量达13.34 m3/min，有效解决了特厚煤层综放工作面回采期间上隅角瓦斯超限的难题。

2）工作面采用的上隅角迈步式埋管和预抽巷密闭墙抽采，在工作面瓦斯治理量中比重较大，对高位定向钻孔抽采提供了有效补充。

3）工作面顶板上方16～20 m、24～30 m 砂岩层，距回风巷8～23 m 的高位定向钻孔抽采效果较好。

4）高位定向钻孔抽采瓦斯量既受布置层位、平距的影响，也受到周期来压的影响，工作面来压、涌出量变化期间应加强工作面瓦斯管理。