39021采面高位钻孔抽采规律及布置层位研究

易书钢，谷 峰，赵庆红

（1.河南焦煤能源有限公司科学技术研究所，河南 焦作454150；2.河南焦煤能源有限公司中马村煤矿，河南 焦作454350）

煤与瓦斯突出矿井综采工作面瓦斯涌出主要形式为采空区瓦斯涌出，低透气性煤层瓦斯抽采难度大、抽采效果差，采空区瓦斯涌出问题凸显[1]。为了解决上述问题，近年来，焦作矿区九里山矿、古汉山矿、中马村矿等矿井进行了高位钻孔抽采采空区瓦斯技术的研究和应用，取得了一定效果，但存在部分钻孔抽采浓度低、抽采流量小、孔口漏气等问题。为解决上述问题，在中马村矿39021工作面进行了高位钻孔抽采规律及合理层位考察研究，前期初步考察高位钻孔终孔位置距煤层顶板12～15 m（4～5倍采高）、距回风巷距离20 m附近，抽采效果好[2]，但是由于考察时间短、数据量少还需进一步研究考证。

1 采空区高位抽采相关理论

采煤工作面回采期间，上覆岩层会出现原有应力平衡的打破、应力重分配、应力再平衡过程。在此期间，岩层会发生移动和破坏，并在竖直方向上形成“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带见图1，对合理确定高位钻孔抽采区域具有非常重要的作用[3]。

冒落带位于竖三带的最下部，由于上覆岩层的自重和载荷应力作用，会出现岩层断裂、破碎和岩石冒落采空区等现象。回采工作面向前推进时，采空区后方的冒落岩石将逐渐被压实。冒落带中下部的连通性和透气性最佳，一般不容易积存瓦斯，瓦斯浓度较低[4]。

裂隙带位于冒落带上部，岩层维持了原有岩层的层状结构。依据裂隙带中裂缝和连通性情况，裂隙带分为严重断裂带、一般断裂带、微小断裂带，严重断裂带和一般断裂带位于裂隙带中下部，连通性和透气性较好，该范围易积存高浓度瓦斯[5]。

弯曲下沉带范围为裂隙带上部至地表，岩层完整性较好和保留层状结构，总体不变形或者较小的弯曲变形。裂缝、离层现象较少，瓦斯一般不会在该范围内积存[6]。

图1 覆岩破坏竖“三带”

2 高位钻孔抽采瓦斯工程实践

2.1 工程概况

中马村煤矿为煤与瓦斯突出矿井。39021工作面位于39采区西翼上部，北为3900工作面（未采），南邻3904工作面（已回采结束），东到39皮带下山保护煤柱，西至39采区边界。采用走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法处理采空区，“U”型通风。可采走向长约710m，倾斜宽101.5～126m，煤厚3.5～10.8m，煤层倾角4°～24°，可采储量0.64 Mt。工作面内发育39#～36#（H=0～6 m∠60°）断层、39#～55#（H=1.5 m∠65°）和39#～56#（H=0.7 m∠58°）三条断层，地质条件较复杂，顶底板岩性见表1。原煤瓦斯含量为15.42～19.37m3/t，原始瓦斯压力1.3MPa；煤层吸附常数a=44.5826m3/t，b=0.9738MPa-1，孔隙率为7.4%，工作面采用底抽巷预抽工作面瓦斯的区域防突措施，区域措施效果检验残余瓦斯含量2.95～5.96m3/t、残余瓦斯压力0.1MPa，区域验证采用钻屑指标法q＜3.8 L/min、△h2＜117.6 Pa、S＜3.5kg/m，均小于临界值。

表1 39021工作面煤层顶底板岩性

2.2 高位钻孔合理层位及相关参数

冒落带顶部和裂隙带中下部瓦斯一般浓度较高，采空区高位抽采钻孔布置一般优先考虑这一层位。

（1）合理布孔层位

中马村矿煤层顶板的直接顶为砂岩，质硬、性脆，裂隙发育，老顶为粉砂岩，老顶和直接顶的厚度大于20 m。依据采动裂隙带理论，采煤工作面采高为3.0m时，按中硬岩性经验公式计算得冒落带高度为6.8～11.2 m。裂隙带高度为30.1～41.3 m。弯曲下沉带为裂隙带以上区域[7]。

依据39011工作面（已回采结束）高位钻孔抽采效果考察结果：当高位钻孔终孔位置距煤层顶12～15 m（4～5倍采高）时，瓦斯抽采流量大、抽采浓度高。钻孔终孔位置布置在距回风巷距离20 m附近，顶板垮落卸压效果明显，抽采浓度高，且顶板岩性弱时有效抽采裂隙带高度降低。

考虑到39021工作面岩性与39011工作面有一定差异，39021工作面设计终孔层位按距煤层顶板18～24m、距回风巷水平投影0～28m，设计孔深68～80m、孔径Φ94 mm。

（2）合理布孔数量

钻场内钻孔的合理数量应根据工作面需要抽采的瓦斯纯流量、瓦斯抽采浓度、封孔管直径等因素确定[8]，见式（1）。

式中：N为高位钻孔数量，个；Q为高位钻孔需抽采瓦斯总流量，m3/min；D为高位钻孔直径，m；V为高位钻孔抽采管流速，m/s；C为高位钻孔抽采浓度，%。

参考39011工作面回采期间瓦斯涌出量，预计39021工作面采空区最大瓦斯涌出量3.62m3/min，则高位钻孔最大需抽瓦斯量3.62m3/min。

若39021工作面高位钻孔设计管径Φ94 mm、瓦斯浓度60%、高位钻孔抽采管流速15 m/s，在39021回风巷设计施工9个抽采钻场，则每个钻场应至少施工4个高位钻孔。

（3）有效利用率及有效长度

回采工作面推进过程中，高位钻孔逐渐进入采空区。在此期间，钻孔离顶板距离总体逐渐减小，钻孔作用范围为自裂隙带中上部降低到冒落带，抽采效果一般有所降低甚至失效[9]。从39011工作面考察结果可知，高位钻孔有效效率0.61～0.72，钻孔有效长度48～50.2m，总体效率比较理想，故39021工作面高位钻孔设计可参考39011工作面。

（4）钻场间距和压茬距离

高位钻场间距是影响钻场内高位钻孔有效长度的重要因素[10]。最佳钻场间距应确保前一个钻场内高位钻孔抽放效果降低时，相邻钻场的高位钻孔能及时起作用，并使高位钻场内钻孔始终处于理想的抽采层位，即保证相邻的两组高位钻孔既有合理的叠加，又能保证抽采效果的延续[11]。从39011工作面试验考察情况来看，39011钻场间距为40m，压茬距离30m时能达到上述效果。故39021工作面高钻场间距按40m，压茬距离30 m。

（5）钻孔封孔深度

39011工作面高位孔封孔深度18m，采用封孔工艺“两堵一注”，工作面回采期间孔口不漏气且抽采浓度较理想，故39021工作面高位钻孔封孔深度按18m，采用“两堵一注”封孔工艺。

2.3 高位钻孔的布置层位

39021工作面高位孔从切眼以西80m处开始，每隔40 m布置一组高位孔，共施工9组，每组4个孔，呈扇形布置，终孔层位距煤层顶板18～24m，距回风巷水平投影0～28m，设计孔深68～80m，孔径Φ94 mm，每组钻孔压茬距大于30 m。平剖面见图2、图3。

图2 39021工作面高位钻孔布置平面

图3 39021高位钻孔布置剖面

3 抽采效果考察

为测试高位孔抽采参数，在39021回风巷各组高位孔安装孔板流量计，每2～3天利用综合参数测定仪测定瓦斯浓度、流量、负压等参数。由于瓦斯抽采规律的复杂性，往往对单独的一组钻孔进行分析偶然因素太多，可靠性较低[12]，为了简化模型，将9组钻孔的抽采数据全部统计到一个坐标系里，不考虑过断层、停产等因素影响时段与终孔距顶板距离的变化关系，综合考虑上述数据，来分析高位孔抽采规律。

3.1 终孔距顶板距离变化下的瓦斯抽采、涌出规律

将9组钻孔的所有抽采浓度、抽采纯流量及工作面回风流瓦斯涌出量统一到以终孔距顶板的距离为横坐标的坐标系，生成综合参数见图4。

图4 终孔距顶板距离不同条件下的综合参数

图4中终孔距煤层顶板在6.5～14 m层位情况下，瓦斯抽采纯流量相对较高，结合抽采浓度和回风流瓦斯浓度观测数据，可知在终孔距煤层顶板10～14 m层位时，瓦斯抽采效果最好，该范围是39021工作面高位钻孔布置的理想层位。

3.2 终孔距回风巷中线距离变化下的瓦斯抽采、涌出规律

将9组钻孔的所有抽采浓度、抽采纯流量及工作面回风流瓦斯涌出量统一到以终孔距回风巷中线的距离为横坐标的坐标系，生成综合参数见图5。

图5 终孔距回风巷距离不同条件下的综合参数

图5中终孔距回风巷中线距离在2～8m、11～19m的情况下，瓦斯抽采纯流量相对较高。结合抽采浓度和回风流瓦斯浓度观测数据，可知终孔距回风巷中线下方水平距离11～17m时，瓦斯抽采效果最好，该范围是39021工作面高位钻孔布置的理想位置。

3.3 孔口距切眼距离变化下的瓦斯抽采、涌出规律

将9组钻孔的所有抽采浓度、抽采纯流量及工作面回风流瓦斯涌出量统一到以孔口距切眼的距离为横坐标的坐标系，生成综合参数见图6。

图6 孔口距切眼距离不同条件下的综合参数

图6中孔口距切眼距离20～56m的情况下，瓦斯抽采纯流量相对较高；结合抽采浓度和回风流瓦斯浓度观测结果可知，孔口距切眼距离在29～56m时，瓦斯抽采效果最好，根据钻孔倾角计算，对应的终孔距煤层顶板7～13 m层位。

4 结语

对中马村矿39021工作面高位钻孔抽采规律及布置层位相关研究表明：

1）39021工作面回采期间采空区瓦斯抽采效果良好，风流瓦斯大大减小，应用效果理想，说明当前高位钻孔的布置层位总体合理。

2）在终孔距煤层顶板在10～14 m层位情况下，瓦斯抽采效果最好，是高位钻孔布置的最佳层位。

3）在终孔距回风巷中线下方水平距离11～17m的情况下，瓦斯抽采效果最好，是高位钻孔布置的最佳水平位置。

4）孔口距切眼距离29～56m的情况下，瓦斯抽采效果最好，根据钻孔倾角计算，对应的终孔距煤层顶板7～13 m层位，是高位钻孔抽采效果较理想的区域。