定向顶板钻孔与普通顶板钻孔抽放效果对比研究

霍晓林(山西冀中能源集团金晖万峰煤矿有限公司， 山西 吕梁 032300)

1 前言

随着煤炭的不断开采，矿井开采深度逐年加深，矿井面临的瓦斯灾害影响更为严峻[1]。根据有关统计，矿井回采工作面瓦斯涌出中约有1/2来自于采空区，回风巷上隅角瓦斯极其容易出现超限，影响矿井安全生产[2]。到目前为止，对采空区瓦斯治理有加大通风量、减少漏风、加强瓦斯抽放等方法。有的学者提出通过改变局部通风系统、减少漏风量来治理采空区瓦斯[3-6]；有的学者采用数值模拟手段，为采空区瓦斯抽采提供参考[7-10]；有的学者从定向钻孔施工方面进行采空区瓦斯治理研究[11-12]；有的学者从综合治理的方面进行采空区瓦斯治理[13-16]。以往研究很多，但是从构造曲率方面出发，针对采用顶板钻孔治理工作面上隅角瓦斯不同抽采钻孔进行对比分析。因此，以万峰煤矿1105综采工作面为背景，对两种不同的瓦斯抽采钻孔布置进行对比分析，以期能为该矿瓦斯治理提供借鉴。

2 矿井概况

万峰矿区总体位于一向北东缓倾斜的单斜构造，由于受区域地质构造影响，开采范围内，煤岩层走向基本是近北西向方向，倾向基本是北东，煤岩层倾角在3°～12°。矿井布置的首采区内共探测出21条断层，其中有7条断层落差大于5m，3条断层落差在2～5m，其余的11条断层落差在2m以内，首采区内未探测出陷落柱。1105工作面位于井田西部侧，开采1号煤层，平均厚度为1.6m，瓦斯含量为9.83m3/t。

3 基于构造曲率的渗透率空间展布规律

3.1 曲率预测渗透性的原理

构造曲率在一定程度上可以反映煤层渗透性。曲率计算如图1所示，根据勾股定理可知

(1)

Δh′=(Zi+1-Zi-1)/2-Zi

(2)

图1 曲率计算示意图

由于煤层的曲率一般都很小，即R≫Δh，由此可近似的将Δh′代替Δh。

(3)

由上述推理可得出曲率的近似计算式为

r=2Δh′/[Δh′2+(Zi+1-Zi-1)2/4]+W′g2]

(4)

式中，Zi+1、Zi-1、Zi分别表示不同的网格点位置高程，m；Δh表示垂直高度差，m；Δh′表示铅直高度差，m；r为曲率；Wg表示网格尺度小。

3.2 煤层渗透率预测

(1) 对1105工作面开采的1号煤层底板等高线进行数字化处理，并根据需要精度，采用sufer进行数据处理。

(2)使用曲率计算分析软件计算4个方向曲率，并取最大值为该点的曲率值。

(3)进行实验室测试，分析确定渗透率与曲率值关系，对1105综采工作面渗透率进行分析预测。

3.3 煤层渗透率展布规律

对不同曲率值区域进行取样实验，得出的渗透率与曲率值间关系见表1。从表1中可以看出：在曲率值较高区域，煤岩体较为破碎、裂隙发育、渗透率较高；在曲率值处于中等范围内时，煤岩体受到构造作用不明显，煤岩体中裂隙处于中等发育水平，渗透率处于中等；在曲率值较低区域，煤岩体完整性较好，渗透率较低。根据1105综采工作面曲率值与渗透率分布关系，将回采工作面划分成3类不同区域，具体如图2所示。

表1 渗透率与曲率值关系

图2 1105工作面曲率分布图

根据曲率分布图可以看出，在Ⅰ类区域为低渗区；Ⅱ类区域为高渗区；Ⅲ类区域为中渗区。

3.4 钻孔层位确定

顶板钻孔布置的层位直接影响回采工作面采空区及釆动影响区的瓦斯抽釆效果。布孔层位的原则主要考虑2个因素：一是钻孔的施工质量，即将钻孔布置在易钻进成孔且钻孔不塌孔的地区，尽量避免容易塌孔的地层。二是钻孔的瓦斯抽釆效果，即将钻孔布置在釆动影响的裂隙比较发育的范围内，从而使钻孔与釆动裂隙形成有效连通。

裂隙带高度为

(5)

式中，H为裂隙带高度，M为采高。

1105工作面采用的是顶板钻孔抽釆裂隙带瓦斯。目前，该矿常用普通顶板钻孔和定向顶板钻孔对瓦斯进行抽采，本次对这两种钻孔瓦斯治理效果进行对比分析。根据瓦斯治理经验，钻孔有效抽釆布置层位为8～12m，在回采工作面分别取一个高渗区和一个低渗区回采段作为研究对象，即距工作面切眼600m范围内和距工作面600～1 200m施工定向顶板钻孔及普通顶板钻孔。

1)普通顶板钻孔设计

在1105回采工作面回风巷布置抽采钻场，并采用锚网支护。抽采钻孔布置为为扇形，钻孔终孔间距应小于钻孔有效抽采半径的2倍。

采用式(5)并将相关参数带入，得到在低渗透区(Ⅰ类区域)钻孔钻进深度70～100m。在高渗透区(Ⅲ类区域)钻孔钻进深度70～100m。

2)定向顶板钻孔设计

钻孔布置于1105工作面回风巷，钻场采用锚网支护，锚杆间距800mm，网间要绑扎牢固。定向钻孔造平后成平行布置孔深300m。

钻孔间距的计算方法为

H<2r

(6)

式中，r为钻孔有效抽采半径，根据抽采经验来确定的，m；H为钻孔间距，m。

通过将参数代入式(5)对排放半径进行计算，考虑工作面回采对顶板造成的釆动影响，得出了不同渗透性区域钻孔间距，具体见表2。具体钻孔布置如图3所示。

表2 不同渗透区域钻孔间距

图3 钻孔布置示意图

具体不同类型钻孔瓦斯抽采比对结果见表3。

表3 抽采效果对比表

从表中可看出，在相同时间内定向顶板钻孔比普通顶板钻孔瓦斯抽采高131 744m3，钻孔总长缩短1 963m，在1105工作面定向顶板钻孔具有显著优势。

4 结论

基于对1105工作面的研究，得出以下结论：

(1)采用构造曲率法，并根据1105工作面煤层顶板岩性、煤层裂隙发育情况及实验室测试结果，可预测煤层顶板渗透率，预测结果可信度较高。

(2)根据预测到的渗透率差异选用不同的钻孔布置方式，从而做到针对性瓦斯治理。

(3)采用工程类比发对定向钻孔、普通钻孔瓦斯抽采效果进行比对，结果表明在1105工作面定向钻孔瓦斯治理效果更明显。