采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术研究与工程实践

陶云奇，张剑钊，郭明功，于 红，潘仁杰

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；3.平顶山天安煤业股份有限公司 八矿，河南 平顶山 467000；4.永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600)

目前，我国煤炭开采已进入深部开采阶段，加之煤炭开采机械化程度日渐趋于智能化，煤层瓦斯含量、煤层瓦斯压力，以及矿井生产强度显著增高，极易造成工作面上隅角和回风流瓦斯超限。深部高瓦斯工作面的采空区及上隅角瓦斯治理已成为诸多煤矿当下亟需解决的难题之一[1-3]。

针对上述问题，国内诸多煤矿常采用埋管、顶板高位定向钻孔、高位斜交钻孔和高位岩石抽采巷等瓦斯抽采技术手段进行采空区及上隅角瓦斯治理[4-6]。许太山[7]采用采空区埋管方法使赵庄煤矿1263工作面上隅角瓦斯浓度始终低于1%；李彦明[8]基于顶板高位钻孔进行上隅角瓦斯治理研究，发现高位定向钻孔瓦斯抽采浓度是常规钻孔的2倍，抽采瓦斯纯量升高至原来的1.6倍以上；于志金等[9]针对大隆煤矿采空区瓦斯赋存情况，提出了回风巷迎向斜交钻孔采空区瓦斯治理方案，开辟了新的采空区瓦斯治理途径；李晓华等[10]采用高位岩石抽采巷治理采空区中上部区域采动卸压瓦斯并在其中布置穿层钻孔施工钻场用以掩护巷道掘进，成功实现一巷两用。此外，林海飞[11]、童碧[12]、郝世俊[13]、闫保永[14]、石浩[15]等学者采用高位定向长钻孔代替高位抽采巷对采空区及上隅角瓦斯进行治理，研究结果表明，以高位定向长钻孔代替高位岩石抽采巷(以孔代巷)既能大幅减少岩石抽采巷工程施工量，有效缓解矿井采掘接替紧张局面，又能降低矿井瓦斯治理成本，减轻矿井因排矸引起的井下运输压力和地面堆矸引起的环境污染问题。目前，以孔代巷技术已成为国内众多煤矿进行采空区及上隅角瓦斯治理的首选技术[16-17]。

笔者以平煤股份八矿工作面上隅角及回风流瓦斯为研究对象，运用以孔代巷技术抽采工作面采空区及裂隙带采动卸压瓦斯，解决深部煤层工作面上隅角及回风流瓦斯超限问题，以期为平煤股份八矿工作面采空区及上隅角瓦斯治理开辟一条新途径。

1 采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术分析

1.1 技术原理

采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术指的是采用定向钻机施工定向长钻孔代替工作面顶(底)板高(低)位岩石抽采巷抽采采动卸压瓦斯，防止或减少卸压瓦斯向工作面采空区和回风流中运移[18]。

以顶板高位定向长钻孔代替高位抽采巷为例，随着采煤工作面持续回采，工作面顶板岩层发生不同程度的变形或垮落，产生的大量离层裂隙和纵向贯通裂隙为采空区及裂隙带采动卸压瓦斯提供了储运空间；依据“O”形圈理论、“竖三带”高度划分对高位定向长钻孔进行钻孔布置层位优选，最终实现工作面采空区及裂隙带采动卸压瓦斯高效抽采的目的，避免了工作面上隅角或回风流瓦斯超限[19-20]。高位岩石抽采巷与以孔代巷技术抽采采动卸压瓦斯原理如图1所示。

(a)高位岩石抽采巷抽采采动卸压瓦斯

1.2 技术优势

1)安全方面：以孔代巷技术利用定向长钻孔代替高位岩石抽采巷抽采工作面采动卸压瓦斯，避免了高位岩石抽采巷遇断层误揭突出煤层而导致的安全事故发生，安全优势明显。

2)资金方面：以孔代巷技术通过定向长钻孔代替或减少高位岩石抽采巷工程量，瓦斯治理成本显著降低，资金优势显著。

3)时间方面：定向钻孔钻进效率明显高于岩石巷道掘进效率，且可超前施工，瓦斯治理周期大幅度缩短。

4)环保方面：以孔代巷技术可有效避免因施工岩石巷道在地面堆矸引起的环境污染，环保优势显而易见。

5)管理方面：相对于高位岩石抽采巷掘进施工涉及到掘进、运输及后期巷道维护等复杂管理问题，以孔代巷技术只需保证定向钻孔的高质量施工即可，管理成本显著降低。

2 采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术钻孔布置及参数优选

不同煤矿不同煤层上覆岩层岩石性质差异导致顶板垮落速度和“竖三带”高度范围均存在差异。因此，需要对工作面上覆岩层岩性及裂隙带高度范围进行综合分析，优化工作面顶板高位定向长钻孔布置参数，以保证采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术的应用效果[21]。

2.1 工作面概况

平煤股份八矿己15-15050工作面位于一水平己五采区东翼，西起采区上山，东至许南高速公路保护煤柱，南邻己15-15030回采工作面(回采期间上隅角及回风流瓦斯浓度偏高)，北部为实体煤。工作面共布置2条低位巷(机巷低位巷、中间低位巷)、3条煤巷(风巷、机巷、开切眼)。

该工作面采用综采一次采全高采煤工艺，走向长壁采煤法，以及“U”形通风方式，受采动卸压瓦斯及采空区涌出瓦斯影响，工作面上隅角及回风流瓦斯管理难度大。

2.2 采动卸压瓦斯富集区确定

1)顶板垮落带与裂隙带高度确定

己15-15050工作面煤层平均厚度为3.3 m，煤层平均倾角为15°，直接顶岩石单轴抗压强度为20～40 MPa。工作面顶板垮落带和裂隙带高度采用经验公式计算[22]：

(1)

(2)

式中：Hm为垮落带高度，m；Hli为裂隙带高度，m；∑M为煤层累计采厚，m。

将相关参数代入式(1)、式(2)计算可得：

因此，由裂隙带高度范围界定方法计算的结果取最大值，可得：垮落带高度为11.76 m，裂隙带高度为42.76 m。

2)定向长钻孔位置与回风巷水平距离确定

定向长钻孔与回风巷水平距离s的计算公式如下[23]：

s=[H-(B+Hcotθ)tanα]+sinα(B+Hcotθ)/

cosα

(3)

式中：s为定向长钻孔与回风巷水平距离，m；H为定向长钻孔终孔与煤层的垂距，m；B为定向长钻孔与“O”形圈的外边界距离，m；θ为“O”形圈外边界和回采边界连线与煤层的倾角，(°)；α为煤层倾角，(°)。

基于经验公式计算得出的垮落带及裂隙带发育高度和钱鸣高院士[24]提出的“O”形圈理论，计算参数取值H=43 m，B=31 m，θ=68°，α=15°，将其代入式(3)，计算得到定向长钻孔位置与回风巷的最远水平距离为60 m。

综合上述计算结果可知，抽采钻孔应布置在与己15-15050工作面回风巷水平距离0～60 m、与煤层顶板垂直距离11.76～42.76 m的区域。

2.3 顶板高位定向长钻孔布置及参数确定

结合己15-15050工作面顶板垮落带与裂隙带高度确定结果，以及平煤股份八矿地质条件，将部分钻孔设计在0～60 m外，保证采动卸压瓦斯富集区能被全覆盖。在己15-15050工作面距开切眼向外沿走向520 m处布置1#钻场，共设计6个高位定向长钻孔。

1)平面投影：1#钻孔距离回风巷下帮轮廓线15 m，1#～6#钻孔之间的间距均为10 m。1#钻场高位定向长钻孔平面投影示意图如图2所示。

图2 1#钻场高位定向长钻孔平面投影示意图

2)垂直投影：1#和2#钻孔之间垂直间距为5 m，2#～5#钻孔之间垂直间距均为4 m，5#和6#钻孔之间垂直间距为5 m。1#钻场高位定向长钻孔局部垂直投影示意图如图3所示。

图3 1#钻场高位定向长钻孔局部垂直投影示意图

3 采动卸压瓦斯抽采技术现场工程试验

3.1 顶板高位定向长钻孔施工情况

2021年6月9日至7月29日期间，采用ZYL-15000D型煤矿用履带式全液压定向钻机成功施工6个高位定向长钻孔，钻孔总工程量为3 108 m，孔内下入ø73 mm钢质筛管，钻孔下筛管比例接近90%。因工作面顶板岩层比较破碎，在定向钻孔施工过程中塌孔、缩孔现象较为严重，钻孔成孔率较低，最终钻孔主孔层位被迫选择施工在距煤层顶板垂距20～30 m稳定岩层内。1#～6#钻孔实钻轨迹平面图如图4所示，1#～6#钻孔终孔位置示意图如图5所示，钻孔实钻参数如表1所示。

图4 1#～6#钻孔实钻轨迹平面图

图5 1#～6#钻孔终孔位置示意图

表1 顶板高位定向长钻孔实钻参数

3.2 瓦斯抽采效果分析

自2021年8月6日至2021年11月17日期间，持续对己15-15050工作面1#钻场高位定向长钻孔接抽，1#～6#高位定向长钻孔瓦斯抽采浓度(甲烷体积分数，下同)对比分析如图6所示，工作面上隅角及回风流抽采瓦斯浓度统计情况如图7、图8所示。

图6 1#～6#高位定向长钻孔抽采瓦斯浓度对比分析图

图7 工作面上隅角瓦斯浓度与工作面日推进距离变化曲线

图8 工作面回风流瓦斯浓度与工作面日推进距离变化曲线

1)由图6可以看出，1#、4#、5#钻孔抽采瓦斯浓度相对较高，钻孔层位距煤层顶板均在25 m以上；2#钻孔抽采瓦斯浓度相对偏低，钻孔层位距煤层顶板约20 m。表明己15-15050工作面顶板裂隙带高浓度瓦斯区在煤层顶板25 m以上。

2)由图6可以看出，3#钻孔在下筛管过程中因ø73 mm筛管受到的阻力较大，筛管丝扣断裂未下至孔底(钻孔长度525 m,下筛管327 m)。在瓦斯抽采初期，此钻孔抽采瓦斯浓度一直保持在较低水平；当工作面安全回采至已下筛管区域时，3#钻孔抽采瓦斯浓度上升到较高水平，单孔最大抽采瓦斯浓度高达9.1%。分析表明，未下筛管部分钻孔塌孔堵塞瓦斯抽采通道，导致抽采瓦斯浓度偏低。

3)由图7、图8可以明显看出，上隅角与回风流瓦斯浓度与日推进距离呈正相关关系。

4)从图6～8可以看出，在整个瓦斯抽采周期内，己15-15050工作面未发生过上隅角或回风流瓦斯浓度超限情况，上隅角及回风流瓦斯浓度均保持在0.6%以下且呈下降趋势；此外，8月28日至9月1日、11月8日至11月17日2个瓦斯抽采时间段内，所有钻孔抽采瓦斯浓度明显下降，上隅角及回风流瓦斯浓度与之呈正相关变化且均保持在0.4%以下。分析表明，己15-15050工作面已回采区域内绝对瓦斯涌出量较小。

3.3 经济效益分析

在己15-15050工作面里段520 m走向范围，利用6个顶板高位长钻孔成功代替了高位岩石抽采巷，解决了上隅角和回风流瓦斯超限治理问题。以孔代巷和高位岩石抽采巷瓦斯抽采技术经济效益对比分析如表2所示。

表2 经济效益对比分析

由表2可知，采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术相比高位岩石抽采巷技术，治理费用可节约67.9%，施工工期可节省2/3。可见，采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术在保证安全生产的同时可显著节约瓦斯治理成本和缩短瓦斯治理周期。

4 结论

1)采用定向钻机施工高位定向长钻孔代替高位岩石抽采巷抽采采空区和裂隙带瓦斯，使平煤股份八矿己15-15050工作面上隅角及回风流瓦斯浓度均保持在0.4%～0.6%，且在后期呈下降趋势，以孔代巷技术解决了工作面上隅角及回风流瓦斯治理的难题。

2)试验得出己15-15050工作面顶板裂隙带高浓度瓦斯区距煤层顶板25 m以上，定向钻孔下筛管可避免钻孔塌孔堵塞瓦斯抽采通道而提高瓦斯抽采效果。

3)与高位岩石抽采巷技术相比，采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术可节约瓦斯治理成本67.9%，节省2/3治理工期，有效缓解矿井采掘抽接替紧张局面，实现矿井降本增效的目标。

4)从安全、成本、时间、环保、管理5个方面阐明了采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术的优势，以孔代巷技术推广应用前景广阔。