定向长钻孔在综放工作面采空区瓦斯抽采中的应用

柴金军

（汾西矿业集团贺西煤矿，山西 柳林 033300）

0 引言

瓦斯是影响井下采掘工作安全开采的不利因素之一，瓦斯抽采是治理瓦斯突出、减少瓦斯涌出的主要措施[1-2]。普通的回转钻机施工的瓦斯抽采钻孔具有钻孔轨迹不清晰、钻孔钻进距离短以及自动化程度低等问题，为实现瓦斯高效治理并解决瓦斯抽采空白带问题，布置的钻孔间距往往减少，即通过增加钻孔数量密度钻机性能低、钻孔轨迹不详以及覆盖范围小等问题。定向长钻孔采用先进的钻机设备、轨迹测量系统等，可确保钻孔按照预先设计的轨迹钻进，在防治水、地质探测及瓦斯治理中均有较好应用[3-5]。文中就以23101 综放工作面采空区瓦斯治理为工程背景，对定向长钻孔应用情况进行分析，以期为其他矿井类似情况瓦斯治理工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

山西某矿23101（全文简称23101）综放工作面设计倾向、走向长度分别为870 m、180 m，设计采放比为1.00∶1.62，采面回采的3-1 号煤层赋存稳定，原始瓦斯含量为7.82 m3/t。3-1 号煤层为矿井主采煤层之一，具有赋存稳定、发热量高以及开采经济效益显著等优点。3-1 号煤层倾角0°～10°，顶底板岩性以粉砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩以及泥岩为主。23101 综放工作面采用一进一回的U 型通风方式，设计供风量为2 950 m3/min，采面回采期间瓦斯涌出量最大为35 m3/min，其中采空区瓦斯涌出量达到19 m3/min，虽然采用采空区埋管抽采瓦斯，但是瓦斯涌出量仍较大。分析主要是由于采面漏风量大导致，为此提出在采面后方悬挂废弃风筒布、端头悬空顶板爆破弱化等方式减少漏风量基础上，增加定向长钻孔实现采空区顶板裂隙瓦斯抽采，从而达降低采空区瓦斯涌出量，避免回风上隅角、回风巷等位置出现瓦斯超限。

2 定向长钻孔瓦斯抽采应用

2.1 定向长钻孔布置层位

采用定向长钻孔抽采采空区顶板裂隙瓦斯时，首先应确定钻孔布置层位，为此提出综合采用理论计算、数值模拟技术确定采空区顶板垮落带、裂隙带及弯曲下沉带高度，并结合现场实际情况合理确定定向长钻孔层位、与回风巷水平间距。

2.1.1 理论计算

煤炭回采顶板垮落形成的冒落带、裂隙带高度与煤层倾角、覆岩岩性及顶板管理方式等有关，具体冒落带、裂隙带可通过下属公式计算确定[6-7]：

式中：Hm、Hl分别为冒落带、裂隙带发育高度，m；M 为煤层开采高度，取值6.0 m。

将开采高度6 m 带入到式（1）、式（2）中分别计算得到Hm=23.2～32.76 m、Hl=60.96～74.94 m。

2.1.2 数值模拟确定

采用UDEC 软件依据23101 综放工作面现场条件构建仿真模型，对回采后顶板覆岩跨落情况进行分析，具体不同推进距离下顶板覆岩垮落形态变化情况见图1 所示。

图1 覆岩垮落形态变化

23101 综放工作面回采后，直接顶由于强度较低出现一定程度的弯曲变形，当回采推进距离超过30 m时，直接顶出现部分垮落，最大垮落高度达到2 m；当采面推进50 m 时，直接顶已完全垮落，基本顶出现回转失稳，此时采面出现初次来压，具体见图1-1 所示，此时顶板冒落带高度约为20 m、裂隙带发育高度约为45 m；当采面推进至65 m 时，基本顶在覆岩应力及自身重力等作用下出现大量裂隙，液压支架出现下沉、阻力增大、煤壁出现一定程度片帮、底板有底鼓情况，采面出现第一次周期来压，周期来压步距在15 m左右，此时顶板冒落带高度约为20 m、裂隙带发育高度则增加至60 m；当采面推进至90 m 时，顶板关键层开始出现破断，关键层之上岩体出现一定程度的弯曲下沉并伴随产生少量裂隙，具体见图1-2 所示，此时顶板冒落带高度约为20 m、裂隙带发育高度则增加至63 m；当采面回采超过220 m 后，覆岩顶板垮落、弯曲变形充分，冒落带、裂隙带及弯曲下沉带高度稳定，具体见图1-3 所示，此时冒落带、裂隙带发育高度分别为20 m、66 m。从模拟结果看出，在开采初期由于顶板垮落不充分，冒落带与裂隙带发育高度随开采距离增加而增大，当出现初次来压后冒落带高度基本稳定、后续不再增加，而裂隙带高度随着覆岩变形呈现不断增加趋势；采面推进超过220 m 后，覆岩移动基本平稳，裂隙带发育高度基本不再增加，最终稳定到66 m。

结合理论计算机数值模拟结果，判断23101 综放工作面回采后覆岩垮落带与裂隙带边界约为20 m、弯曲下沉带与裂隙带边界约为66 m。

2.2 定向长钻孔应用

施工的高位定向钻孔层位应布置在裂隙带中，充分利用裂隙带裂隙发育、裂隙瓦斯浓度高优点，拦截采空区瓦斯。为便于高位钻孔施工并避免钻孔塌孔问题，布置的高位钻孔应尽量靠近裂隙带上边界，但是裂隙带上边界存在部分裂隙闭合问题，会弱化瓦斯抽采效果。综合覆岩裂隙带发育高度以及覆岩岩性，最终确定将裂隙带层位布置在距离3-1 号煤层40～60 m 位置，高位钻孔与回风巷间水平间距控制在15～48 m。

由于采空区瓦斯涌出量大，为有效拦截采空区瓦斯涌出，现场共计布置5 个高位定向钻孔，具体布置见图2 所示。为避免钻孔钻进对回采影响，在采区回风大巷靠近23101 回风巷20 m 位置布置宽、深、高分别为6 m、3 m、5 m 的钻场，钻场采用锚网索支护方式，顶板及钻场两帮均铺设金属网，在钻孔施工位置则仅通过锚杆支护；同时由于钻场跨度大，采用单体+工字钢强化顶板支护。

图2 定向长钻孔布置示意图

在钻场内布置5 个高位定向长钻孔，钻孔采用ZYWL-6000DS 钻机，高位定向长钻孔设计为三开结构，一开孔径120 mm、二开孔径165 mm、三开孔径203 mm。具体施工的各高位定向长钻孔结构为：1 号高位定向长钻孔一开120 mm、钻孔钻进深度为895 m，钻孔未扩孔；2 号高位定向长钻孔一开120 mm、钻进深度为895 m，二开165 mm、扩孔深度615 m，三开203 mm、扩孔深度403 m；3 号高位定向一开120 mm、钻进深度为895 m，二开165 mm、扩孔深度678 m，三开孔径203 mm、扩孔深度456 m；4 号高位定向一开120 mm、钻进深度为895 m，二开165 mm、扩孔深度662 m，三开孔径203 mm、扩孔深度365 m；5 号高位定向一开120 mm、钻进深度为895 m，二开165 mm、扩孔深度577 m，三开孔径203 mm、扩孔深度515 m。具体高位定向长钻孔施工技术参数见表1 所示。

表1 高位定向长钻孔施工技术参数

3 高位定向钻孔瓦斯抽采效果

对23101 综放工作面回采期间高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度、纯量等参数进行实时监测，具体结果见图3 所示。

图3 瓦斯抽采监测结果

从图3 中看出，5 个定向长钻孔瓦斯抽采纯量在7.2～16.94 m3/min，均值为11.25 m3/min；瓦斯抽采体积分数在27%～47%，均值为35%。在23101 综放工作面布置的高位定向长钻孔可服务采面整个回采区间，高位定向长钻孔瓦斯抽采纯量及浓度较为稳定，可有效拦截采空区瓦斯，有助于降低回风巷、回风上隅角位置瓦斯浓度。采面生产期间，回风巷、回风上隅角瓦斯体积分数最高分别为0.34%、0.43%，瓦斯浓度在允许范围内。

4 结论

1）23101 综放工作面回采期间自身瓦斯含量高、采空区遗煤量多以及受采空区漏风量大等因素影响，导致采空区瓦斯涌出量达到19 m3/min，占整个采面瓦斯涌出量的54.3%。采空区大量高浓度瓦斯涌出，容易导致回风上隅角及回风巷中瓦斯超限，影响采面生产安全。为实现采面采空区瓦斯高效治理，提出采用定向长钻孔抽采采空区内顶板裂隙瓦斯，利用定向长钻孔覆盖范围大、距离长、抽采效果高以及服务时间长等优点，实现采面回采期间采空区顶板裂隙瓦斯持续抽采。

2）高位定向长钻孔布置层位会直接影响裂隙瓦斯抽采效果，综合采用理论计算、数值模拟技术手段确定23101 综放工作面回采后顶板冒落带、裂隙带范围，并依据计算结果，最终确定将高位定向长钻孔布置在距离3 号煤层顶板40～60 m 的粉砂岩层中，与回风巷间水平间距为15～48 m。

3）现场应用后，高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度、抽量等参数较为稳定，其中抽量、体积分数均值分别为11.25 m3/min、35%，钻孔可覆盖23101 综放工作面整个回采周期；回风上隅角、回风巷中瓦斯体积分数0.34%、0.43%，采面回采期间未出现瓦斯超限或者瓦斯浓度明显增高情况。