大直径定向钻孔抽采技术在150317 工作面的应用

李振华

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030006）

当煤层开采后，由于煤体应力降低，煤层透气性增高，煤层瓦斯将大量涌出，这些瓦斯将不仅在煤层上部破裂岩层裂隙带中聚集，同时将对工作面空间及采空区造成瓦斯超限的风险[1-3]。目前许多学者对瓦斯治理技术进行了大量研究，形成了诸多成果： 马金魁等人采用数值模拟方法确定了顶板抽采最佳层位，成功应用了“以孔代巷”技术；贾晓亮等人通过应用定向大直径高位长钻孔技术，解决了工作面回风隅角瓦斯聚集及回风流瓦斯超限的问题；王凯等人应用数值模拟方法，对大直径抽采瓦斯钻孔参数进行了优化，确定了最优孔径、孔距和终孔位置[4-6]。工作面生产过程中，采空区回风隅角极易积聚瓦斯。为精准高效抽采顶板裂隙带瓦斯，切实解决工作面采动过程中的回风隅角瓦斯超限问题，设计了大直径定向钻孔群精准抽采钻孔参数，并应用于现场，以优化150317工作面回风隅角瓦斯治理效果。

1 工程背景

荫营煤矿目前开采12 号、15 号煤层，其上覆3 号煤层于2005 年已回采完毕。150317 工作面开采15 号煤层，工作面巷道布置如图1 所示。15 号煤厚度平均为3.75 m，含夹矸2～3 层，煤层顶底板情况如表1 所示。根据煤科集团沈阳研究院有限公司测试结果，15 号煤层相对瓦斯压力在0.165 4～0.194 8 MPa；瓦斯含量4.21～4.86 m3/t，15 号煤层破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类，瓦斯放散初速度指标ΔP 值为19，煤体坚固性系数f 值为0.63。

图1 150317 工作面巷道布置

表1 15 号煤层顶底板岩性特征

2 大孔径定向钻孔抽采方案设计

综采工作面覆岩破坏的两带高度 （垮落带和裂隙带）是指导采空区瓦斯抽采的关键参数。正常条件下，工作面推进后采空区顶板在竖直方向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带内的岩石破碎成块状，岩块间排列无序、间隙较大，瓦斯与大量空气混合，此带内的瓦斯浓度较低。裂隙带位于冒落带的上方，此带内的岩层受到冒落带岩块的支撑作用，岩层破断后排列仍然较整齐，但会形成较多的顺层及穿层裂隙，由于瓦斯密度小，在空气中瓦斯向上漂浮，采空区瓦斯将在此带内的裂隙中运移、聚集。为精准高效抽采煤层顶板裂隙带瓦斯，切实解决工作面采动过程中回风隅角瓦斯超限问题，荫营煤矿采用裂隙带大直径定向钻孔群抽采技术对覆岩瓦斯进行抽采。

2.1 钻孔深度

采用大直径定向钻孔群抽采覆岩瓦斯，钻孔终孔位置必须覆盖煤层顶板裂隙带岩层，因此需对工作面开采后冒落带及裂隙带高度进行计算。

（1）冒落带高度

冒落带高度计算公式为：

式中：M 为工作面煤层开采高度，m；K 为直接顶岩层碎胀系数；α 为煤层倾角，°。

15 号煤层倾角为3°，并且顶板岩层硬度较大，碎胀系数取为1.35，计算得工作面冒落带高度为10.7 m。

（2）裂隙带高度

15 号煤层顶板属于坚硬岩层，裂隙带高度计算公式为：

代入数据计算得150317 工作面裂隙带高度在26.1～52.6 m 范围内。

（3）瓦斯抽采钻孔深度

根据上述计算结果，150317 工作面裂隙带高度在顶板36.8～63.3 m 范围内，为保证瓦斯抽采钻孔能够覆盖顶板裂隙带，因此设计瓦斯抽采钻孔垂直高度为35～65 m。钻孔在150317 回风巷内施工，钻孔与水平夹角在15°～45°范围内，钻孔深度在380～450 m 范围内。

2.2 钻孔设计

沿150317 回风顺槽分别设计3 个钻场，钻孔设计如图2、图3 所示。1#钻场距离150317 停采线0 m，2#钻场距离150317 停采线300 m，3#钻场距离150317 停采线600 m。

图2 150317 工作面定向钻孔布置

图3 150317 工作面定向钻孔设计

1#钻场：施工6 个裂隙带钻孔，与150317 回风顺槽采煤帮平面距离依次为10 m （1#-1 孔）、15 m（1#-2 孔）、20 m （1#-3 孔）、25 m （1#-4 孔）、30 m（1#-5 孔）、35 m（1#-6 孔）。1#钻场6 个钻孔终孔位置距15 号煤层顶板35～65 m，1#钻场内6 个裂隙带钻孔设计孔深分别为395 m （1#-1 孔）、407 m（1#-2 孔）、414 m（1#-3 孔）、408 m（1#-4 孔）、402 m（1#-5 孔）、397 m（1#-6 孔），相邻钻孔间距为5 m，终孔孔径120～203 mm。

2#钻场：施工6 个裂隙带钻孔，与150317 回风顺槽采煤帮平面距离依次为10 m （2#-1 孔）、15 m（2#-2 孔）、20 m （2#-3 孔）、25 m （2#-4 孔）、30 m（2#-5 孔）、35 m（2#-6 孔）。2#钻场6 个钻孔终孔位置距15 号煤层顶板35～65 m，2#钻场内6 个裂隙带钻孔设计孔深分别为395 m （2#-1 孔）、407 m（2#-2 孔）、414m（2#-3 孔）、408m（2#-4 孔）、402 m（2#-5 孔）、397 m（2#-6 孔），相邻钻孔间距为5 m，终孔孔径120～203 mm。

3#钻场：施工6 个裂隙带钻孔，平面位置、终孔孔径、设计层位与1#钻场、2#钻场一致。

各钻场钻孔参数如表2 所示。

表2 150317 定向钻孔参数

3 应用效果

定向钻孔施工完毕1 天内采用水泥浆封孔，封孔长度不小于5 m，封孔后连接至瓦斯抽采管路上，并安装管道测定仪，定期监测瓦斯抽采流量变化情况。3#钻场钻孔瓦斯抽采流量与工作面距离变化曲线如图4 所示。

图4 1#～6#钻孔瓦斯抽采流量与工作面距离变化曲线

从图中可以看出，工作面与钻孔终孔位置距离为0～65 m 范围时，瓦斯抽采流量较低，表明此时由于工作面回采后采空区上方裂隙带还未形成，瓦斯未在顶板岩层内聚集。当工作面与钻孔终孔位置距离为65～100 m 范围时，瓦斯抽采流量逐步上升，表明此阶段工作面上方垮落带与裂隙带逐渐形成，采空区上方裂隙内瓦斯逐渐聚集。当工作面与钻孔终孔位置距离为100～220 m 范围时，瓦斯抽采流量处于稳定状态，此时瓦斯抽采流量平均为9.8 m3/min。随着工作面与钻孔终孔距离超过220 m 后，瓦斯抽采流量逐渐降低，表明此时采空区上方裂隙逐渐压实，瓦斯不再出现聚集情况。

相邻150315 工作面未采用定向钻孔群抽采技术，仅施工顺层抽采钻孔治理瓦斯，工作面回采过程中，回风流瓦斯浓度在0.4%～0.5%范围内，回风隅角瓦斯浓度在0.5%～0.6%范围内，最高达到0.72%。与其相比，150317 工作面回采初期，回风隅角瓦斯浓度较高，最高达到0.48%，当推进距离超过80 m 后，回风隅角瓦斯浓度降低，并稳定在0.1%～0.2%范围内。上述结果表明，采用大孔径定向钻孔群抽采瓦斯后，工作面回风隅角瓦斯浓度明显降低，瓦斯抽采效果明显，工作面生产效率提高，如图5 所示。

图5 瓦斯浓度与推进距离变化曲线

4 结论

以荫营煤矿地质条件为基础，对大直径定向钻孔群精准抽采技术进行了研究，研究结果如下：

1）采用理论计算方法，确定150317 工作面裂隙带高度在36.8～63.3 m 范围内，为保证瓦斯抽采钻孔能够覆盖顶板裂隙带，设计抽采钻孔垂直高度为35～65 m。

2）采用大直径定向钻孔群技术抽采顶板裂隙带内瓦斯，并对钻孔参数进行了设计。根据工作面回采期间瓦斯抽采监测数据，并对比相邻150315工作面回风流及回风隅角瓦斯浓度数据，采用大孔径定向钻孔群抽采瓦斯后，工作面回风隅角瓦斯浓度明显降低。