朱庄矿上隅角瓦斯抽采钻孔参数优化及效果分析＊

胡宝林 姚晋宝 张 影 陈 赓 聂敏中 何云灼

（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001；2.淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿，安徽省淮北市，235052）

朱庄矿上隅角瓦斯抽采钻孔参数优化及效果分析＊

胡宝林1姚晋宝1张 影1陈 赓1聂敏中2何云灼2

（1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽省淮南市，232001；2.淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿，安徽省淮北市，235052）

为防止工作面回风巷尤其是上隅角瓦斯超限，确保工作面的正常生产，同时可以充分利用瓦斯资源，本文利用顶板冒落的关键层理论，并在空区顶板采动裂隙、冒落数值模拟结果的基础上，对高位抽放钻孔的终孔位置、终孔平距、抽放钻孔的钻孔直径等参数进行了优化，朱庄煤矿Ⅲ4414工作面现场试验结果表明钻孔参数优化后，提高了抽采效率，保证回采工作面安全高效生产。

钻孔参数 瓦斯抽采 钻孔 采动裂隙

1 引言

朱庄煤矿位于淮北市以东矿山集境内，该矿井年产原煤近200万t。随着矿井开采深度增加，目前矿井瓦斯绝对涌出量增至34.69m3／min，相对涌出量达11.85m3／t，尤其是4＃煤层瓦斯含量及涌出量相对较高。目前，由于高位钻孔抽采瓦斯流量大、抽采瓦斯体积分数高、工艺简单等优点，逐渐发展成为采煤工作面最常用、最有效的瓦斯抽采技术之一。

2 Ⅲ4414工作面顶底板特征

朱庄煤矿Ⅲ4414工作面所采4＃煤层为稳定煤层，宏观煤岩类型为以半亮煤为主，顶部和局部有少量半暗型煤煤层。直接顶为深灰色泥岩及粉砂岩，层理不明显，其中泥岩较易破碎，其厚度在11.7m左右；老顶为灰色、坚硬、厚层状细晶闪长玢岩，厚度13.77m左右。直接底为深灰色、块状，含植物化石碎片泥岩，厚度2.5m左右；老底为灰白色、细粒、块状、坚硬的细砂岩，其主要成分为石英，次为长石，厚度5.29m左右。底部7.79m左右见厚2.47m左右煤层。

钱鸣高等认为由于煤系地层的分层特性差异，因而各岩层在岩体活动中的作用是不同的。有些较为坚硬的厚岩层在活动中起控制作用，即起承载主体与骨架作用；有些较为软弱的薄岩层在活动中只起加载作用，其自重大部分由坚硬的厚岩层承担。因此，把在岩体活动中起主要控制作用的岩层称为关键层。煤层开采后，关键层下部将产生不协调性的连续破坏，即有的岩层出现以拉应力为主的破坏，有的则以压应力为主的破坏，形成了不同的裂隙分布。根据采空区顶板裂隙生成、冒落情况对抽采工艺优化设计，有利于提高抽采效果，达到较好的治理瓦斯效果。

Ⅲ4414工作面4＃煤层顶板50m左右范围内，仅有两层岩性的较坚硬的厚岩层，它们分别为4＃煤层以上第2层和第6层岩层。第2层岩层为泥质粉砂岩，厚度为4.19m，该层岩层在平面上厚度不稳定；第6层岩层为火成岩，层厚为13.77m。火成岩为4＃煤层顶板的主关键层，第2层泥质粉砂岩为亚关键层，见表1。

表1 Ⅲ4414工作面4＃煤层顶底板情况一览表

3 顶板高位钻孔瓦斯抽采优化设计

高位钻孔的抽放效果主要由以下几个参数来决定：抽放钻孔的终孔位置、终孔平距、钻孔直径等。

3.1 钻场设计

考虑到工作面顶板地质条件、现场工作面回采情况及钻孔施工情况，风巷中共设计5个钻场。第一个钻场位于开切眼115m处，第二个钻场位于开切眼195m处，第三个钻场位于开切眼280m左右处，第四个钻场位于开切眼365m处，第五个钻场根据现场条件确定。

3.2 顶板钻孔层位

顶板瓦斯抽采钻孔的有效部分是处于弯曲下沉带底部与垮落带顶界之间裂隙带。通过数值模拟，经验公式计算及矿压观测，Ⅲ4414工作面老顶初次来压步距为42m左右，周期来压步距平均为17.19m。随着工作面向前推进，裂隙带的高度逐渐加高，裂隙带高度最大处达到23.4m，见图1。由于初采期间采动未波及到老顶主关键层（火成岩），因此裂隙主要发育于垮落带顶界与主关键层底部之间。由于工作面老顶初次来压之前与正常回采期间产生的裂隙带不同，因此，第一钻场钻孔与其他钻场设计钻孔应有所不同，见图2。

根据数值模拟与计算结果，将第一钻场下排钻孔终孔控制在第一关键层处，即距煤层顶板12m，将第一钻场上排钻孔终孔控制在距煤层顶板16m处；第二钻场终孔高度根据终孔与风巷的水平距离不同，高度布置在13～23m之间。

3.3 钻孔终孔与风巷水平距离

根据FIMAGE软件模拟结果，采空区裂隙主要发育在距巷道40m左右的范围内，见图3，大于此距离覆岩被压实。为此，在设计顶板钻孔时，确定倾向方向上的有效控制范围与回风巷的距离最大为40m左右，因此钻孔的终孔位置与风巷的平距必须小于40m。

图3 “O”形圈周边裂隙密度分布频度示意图

同时，工作面顶板在倾向方向上也存在垮落角β，近似取其与工作面走向顶板的垮落角一致。钻孔终孔位置与风巷的平距c计算如下：

式中：α——煤层倾角，（°）；

β——垮落角，（°）；

d——煤层厚度，m；

D——风巷宽度，m；

h——钻孔终孔位置到煤层顶板垂距，m。

Ⅲ4414工作面煤层倾角平均6.1°，煤层厚度平均2.3m，风巷宽度3.5m。

（1）如钻孔终孔高度设在火成岩底板处，其h为14m，工作面顶板在倾向方向垮落角β为56°，则钻孔终孔位置与风巷北帮的平距c为：

（2）如钻孔终孔高度设在火成岩顶板处，其h为27m，则钻孔终孔位置与风巷北帮的平距c为：

巷道上方的顶板因受近工作面采空区的影响已经产生裂隙。上述平距计算值是依据工作面沿走向两侧为实体煤时顶板的侧向垮落角确定的；沿工作面倾向，因巷道上方覆岩裂隙的存在，实际顶板的倾向垮落角要大于56°。

第一种情况：终孔位于火成岩层（关键层1）底板。根据计算结果，钻孔终孔位置与风巷右帮的平距取大于6m。

第二种情况，终孔位于火成岩层（关键层1）顶板。矿压资料分析结果表明，本区火成岩老顶的周期垮落步距平均在15.22m左右，见图4，煤巷宽2.7m，参考计算结果，钻孔终孔位置与风巷右帮的平距大于12m。

图4 第二钻场各钻孔水平位置示意图

根据淮北矿区井下揭露情况，由于冷凝作用，火成岩中一般出现大量的垂直导水裂隙。上隅角的瓦斯含量可通过火成岩垂直层面裂隙导通离层裂隙，因此钻孔布置在该段的火成岩层中仍能起到抽采瓦斯的作用。综合以上因素，考虑到钻孔与巷道的水平夹角，对第二种情况正常推采期间，钻孔终孔位置与风巷右帮的平距取在12～24m之间。

3.4 钻孔直径及钻进

按照瓦斯抽采钻孔的设计要求钻进直径ø108mm的瓦斯抽采钻孔，首先用直径ø133mm的钻头开孔6～10m后提钻，然后下ø110mm的套管6～10m，孔口注浆，固定套管安装法兰盘，为安装瓦斯抽采管路做准备，然后用直径ø94mm的钻头继续钻进。如果钻进顺利终孔后直接用ø108mm的钻头扩孔。

首先用小直径的钻头钻进是为了保证终孔数据的稳定性，因为直接采用ø108的钻头钻进，由于钻头直径大而钻杆（ø73mm）较细，容易造成严重偏孔，终孔数据达不到设计要求，造成偏差。

4 瓦斯抽采效果分析

4.1 不同设计终孔位置钻孔抽采情况分析

为了了解钻孔不同施工参数对瓦斯抽采的影响，研究过程中对Ⅲ4414工作面第二钻场至第四钻场瓦斯抽采的各种数据进行了跟踪测试。现以第二钻场的4个钻孔瓦斯抽采数据为例叙述。

4.1.1 钻孔抽采数据

（1）1＃钻孔抽采数据。1＃钻孔平距为6m，法距为13m，孔深120m。由于钻场距工作面距离的不同，瓦斯的抽采流量也不同，经统计1＃钻孔瓦斯流量在0.79～43.5m3／h，平均14.97m3／h，总纯瓦斯抽采量为11253.62m3。从图5中可见1＃钻孔有效抽采时间内，存在4个流量峰值。

图5 1＃钻孔瓦斯流量与距2＃钻场距离关系

（2）2＃钻孔抽采数据。2＃钻孔平距为18m，法距为16m，孔深121m。经统计2＃钻孔同期抽采量和瓦斯浓度均比1＃孔大，其中瓦斯浓度在3.89%～29%之间，平均12.84%，纯瓦斯流量在1.13～53.75m3／h，平均24.86m3／h。总纯瓦斯抽采量为17481.37m3。从图6中可见，2＃钻孔有效抽采时间内存在4个流量峰值。

图6 2＃钻孔瓦斯流量与距2＃钻场距离关系

（3）3＃钻孔抽采数据。3＃钻孔平距为12m，法距为20m，孔深101.5m。经统计3＃钻孔抽采期间抽采瓦斯浓度在3.89%～31.%之间，平均13.38%，纯瓦斯流量在1.13～44.79m3／h，平均22.69m3／h，总纯瓦斯抽采量为14573.06m3。从图7中可见，3＃钻孔有效抽采时间内存在4个流量峰值。

（4）4＃钻孔抽采数据。4＃钻孔平距为24m，法距为23m，孔深101m。经统计4＃钻孔抽采期间抽采瓦斯浓度在3.89%～17.00%之间，平均10.42%，纯瓦斯流量在0.81～43.50m3／h，平均21.34m3／h，总纯瓦斯抽采量为12354.24m3。从图8中可见，4＃钻孔有效抽采时间内存在3个流量峰值。

4.1.2 数据分析

对同一钻场而言，不同的钻孔参数（钻孔平距、法距及孔深），瓦斯抽采总量存在明显差异，如第二钻场4个钻孔中，2＃孔和3＃孔瓦斯抽采总量较大，而1＃孔和3＃孔瓦斯抽采总量相对较小。不同的钻孔终孔平距和法距，其瓦斯抽采的瓦斯浓度和单孔瓦斯抽采总量不同。

1＃钻孔平距和法距均较小，钻孔终孔在垂向上位于火成岩下部岩层中，1＃孔在水平位置上，根据计算结果，位于顶板岩层垮落角范围内，在该区域岩层的采动裂隙相对不发育，因此瓦斯抽采量相对较小。

2＃孔和3＃孔终孔在垂向上位于火成岩中部，在水平位置上，与风巷的平距大于老顶垮落步距，在该区域内，受采动影响，无论是离层裂隙还是垂直裂隙均较发育，因此钻孔瓦斯抽采总量相对较高。此外由于甲烷比空气轻，易流向较高的区域，因此2＃和3＃孔抽采的瓦斯浓度也较1＃孔的平均浓度高。

4＃孔终孔位置在垂向上位于火成岩顶部，在水平位置上距风巷的平距较大，采空区离层裂隙易被压实，瓦斯抽采总量减少。

4.2 钻场抽采数据统计分析

在测试的3个钻场中，抽采效果明显。钻场平均纯瓦斯抽采量在1.37～2.14m3／min，最大抽采瓦斯浓度在7.6%～13.57%之间，日平均抽采量在1955.38～3084.39m3之间，各钻场抽采总量在60616.82～151134.91m3之间，见表2。

表2 Ⅲ4414工作面部分钻场瓦斯抽采率计算表

5 结论

影响顶板高位钻场钻孔抽采效果的关键因素就是顶板钻孔的布置层位。由于煤层顶板岩层组合特征、岩石力学性质、地质构造条件及开采方式的不同，沿工作面回采时，煤层支撑影响区、离层区、重新压实区的分布范围有所不同，且顶板冒落带及裂隙发育带的高度也有所不同。因此，瓦斯高位抽采效果与抽放钻孔的终孔位置、终孔平距、抽放钻孔的终孔高度切相关。

[1] 王海锋，程远平，沈永铜等.高产高效工作面顶板走向钻孔瓦斯抽采技术[J].采矿与安全学报，2008（2）

[2] 李焕，吕自伟，赵亮，展阔.高位钻孔瓦斯抽放冒落带与裂隙带高度的测定方法[J].现代矿业，2011（1）

[3] 高洋，赵志强，丁自伟，马成民，崔建勇.高位钻孔瓦斯抽放技术在开滦矿区的应用[J].中国煤炭，2011（2）

[4] 钱鸣高，缪协兴，许家林等.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003

[5] 杨玉静，李增华，陈奇伟等.RFPA2D数值模拟在高位钻孔参数优化中的应用[J].煤炭技术，2010（5）

[6] 刘军，彭担任.沿突出煤层大巷掘进安全技术[J].矿业快报，2005（6）

Borehole parameter optimization and effect analysis of top corner gas drainage in Zhuzhuang coal mine

Hu Baolin1，Yao Jinbao1，Zhang Ying1，Chen Geng1，Nie Minzhong2，He Yunzhuo2

（1.Department of Earth and Enviroment，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China；2.Zhuzhuang Coal Mine，Huaibei Mining Co.，Ltd.，Huaibei，Anhui 235052，China）

In order to prevent gas from exceeding limit in the return airway，especially in top corner，the gas drainage was carried out to ensure the safe production in the working face and take full advantage of gas resource.The key stratum theory of roof caving in the vacant place was used to optimize borehole parameters，such as bottom location of high－level boreholes，horizontal distance of borehole bottoms，borehole diameters and so on，based on the simulation data of mining－induced roof fracture and roof caving.The application results showed that the gas drainage efficiency was enhanced after the optimization of borehole parameters，ensuring the safe and high efficient production in No.Ⅲ4414working face.

borehole parameter，gas drainage，borehole，mining－induced fracture

TD712.6

A

国家自然科学基金资助项目（40872103）；国家“十一五”科技支撑计划项目（2007BAK28B02）资助

胡宝林（1962－），男，江西南昌人，博士，教授，主要从事矿井地质教学与研究。

（责任编辑 梁子荣）