老厂矿区高位定向长钻孔“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究

时间：2024-07-28

贾晓亮

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

近年来，随着煤矿开采深度的增加、开采效率及强度的提高，工作面上隅角和回风流瓦斯超限问题日趋严重。采空区瓦斯抽采[1-3]是煤矿瓦斯抽采专业人员面临的较困难问题。云南老厂矿区是我国云南省最大的无烟煤生产基地，其瓦斯含量高、衰减性强、透气性低，煤层瓦斯抽采效果差等问题严重制约着煤矿的安全、高效生产。采空区瓦斯的主要来源为工作面遗煤，其涌出至工作面的直接原因为采空区漏风，仅用采空区埋管或插管辅以普通钻机施工顶板高位钻孔[4-5]已经不能很好地解决采空区瓦斯问题。利用顶板高抽巷虽能解决采空区瓦斯问题[4-9]，但其施工工程量大、工期长、经济成本高等问题严重影响煤矿安全高效生产和经济效益的提高，施工高抽巷解决采空区瓦斯问题已经是许多煤矿不得已而采取的措施。而高位定向长钻孔采用高端定向钻机施工大孔径长钻孔可实现钻孔全量程抽采、延长钻孔有效抽采时间、节约成本、缩短工程周期，最终实现“采、掘、抽”平衡[10-14]。因此，笔者研究高位定向长钻孔“以孔代巷”技术解决采空区瓦斯问题，以期为云南老厂矿区无烟煤瓦斯抽采提供技术参考。

1 高位钻孔抽采原理

高位钻孔抽采是采空区瓦斯抽采的重要方法之一，其技术原理为钱鸣高教授提出的采空区“O”形圈理论[15-18]，如图1所示。

图1 采空区顶板“O”形圈特征示意图

所谓采空区“O”形圈理论，就是煤层开采后在煤层顶部上覆岩层会形成裂隙或断裂，而裂隙分为 2种：一种为横向断裂(离层裂隙)，是随着岩层弯曲下沉后在各岩层的层与层之间形成的裂隙，这种裂隙使煤层膨胀变形形成采动卸压，使瓦斯在层与层之间流动；另一种为竖向断裂，是随着岩层下沉在层与层之间形成的穿层断裂，工作面推进后在采空区后方中部形成一个压实区，在压实区周围仍然形成一个裂隙区，从图1可以看出在采空区周围形成一个裂隙区，形成瓦斯运移和逸散的主要通道，以上理论即为“O”形圈理论。

2 高位定向长钻孔层位选择

2.1 工作面概况

老厂矿区位于滇、黔、桂三省接壤地带，是云南省最大的无烟煤矿区，也是我国南方少有的特大型无烟煤基地。“以孔代巷”试验工作面选择在云南老厂矿区二堪区兴宏煤矿。该矿主采2#、3#、8#、9#煤层，8#煤层平均厚度为3.5 m，倾角为8°～10°，煤层实测瓦斯含量为6.5～12.7 m3/t，瓦斯压力为0.28～0.69 MPa，8#煤层按突出煤层管理。煤层直接顶为页岩、泥岩，平均厚度为2.00 m；老顶为粉砂岩、中小颗粒砂质泥岩，平均厚度为23.05 m。801工作面为二采区首采综采工作面，工作面走向长为600 m，倾向长为160 m，埋深为350～470 m。采取一次采全高，全部垮落法控制顶板。

801工作面原有瓦斯治理方法：在工作面进风巷和回风巷向工作面施工顺煤层钻孔预抽瓦斯，工作面回采期间则采用上隅角插管辅以高位钻孔的抽采方法，但瓦斯抽采效果不理想。工作面施工了大量顺煤层预抽钻孔，但钻孔孔径较小，成孔率低，煤层透气性差，许多钻孔连管抽采2～3 d后就无法抽出瓦斯；使用普通ZY-750D钻机施工高位钻孔，钻孔直径 75 mm，孔径小，未对钻孔终孔层位进行考察，导致瓦斯抽采效果不理想；施工顶板高抽巷瓦斯抽采效果虽好，但其施工工期长、费用高。通过研究分析，在该矿引进大孔径定向钻机施工高位定向长钻孔解决瓦斯治理难题。

2.2 高位定向长钻孔层位分析

2.2.1 垂向断裂带高度分析

高位定向长钻孔层位的合理布置是影响瓦斯抽采效果的关键因素[19-20]，以“O”形圈理论为技术指导，高位定向长钻孔尽量布置在 8#煤层断裂带中并保证钻孔有效抽采时间。为获得 8#煤层上覆岩层合理断裂带位置及顶板岩层运移规律，采用FLAC3D有限差分数值模拟软件分析801回采工作面开采时顶板岩层应变和塑性区的变化特征，计算顶板断裂带范围。因采空区矸石和遗煤分布的随机性影响，模拟时假设将采空区内的多孔介质近似视为各向同性材料。建立的801工作面数值模拟模型如图2所示，其中x方向为煤层倾向，长度为160 m，两侧预留煤柱宽度为40 m;y方向为煤层走向，长度为800 m;z方向高度为120 m。在8#煤层顶板不同高度处布置3条观测线，用于观测顶板运移状态。

图2 801工作面数值模拟模型

数值模拟结果表明：8#煤层上覆岩层垮落带最大高度为16 m，8#煤层顶板岩性为粉砂岩和中小颗粒砂质泥岩，并结合开采高度综合分析计算得到 8#煤层顶板高位定向长钻孔垂向最佳合理层位范围为 18～35 m。

2.2.2 高位定向长钻孔终孔点与回风巷的水平距离

根据国内学者提出的理论，顶板高位定向长钻孔终孔点与回风巷水平距离L计算公式如下：

L=[L1-(L2+L1cotθ)tanα]sinα+

(L2+L1cotθ)/cosα

(1)

式中：L1为钻孔终孔点与煤层的垂直距离，m；L2为钻孔与“O”形圈外边界的距离，m；θ为裂隙边界与开采边界的连线与煤层的夹角，(°)；α为煤层倾角，(°)。

通过计算得到钻孔终孔点与回风巷的最远水平距离L为50 m。

2.2.3 高位定向长钻孔施工工艺

为了不影响工作面运输及行人，高位定向长钻孔施工地点选择在801工作面回风上山并靠近801工作面回风巷处，与回风巷的距离为0～50 m，与煤层的垂距为18～35 m；共设计5个钻孔，开孔直径为120 mm，扩孔直径为195 mm，以此替代顶板高抽巷。高位定向长钻孔布置如图3、图4所示，具体竣工参数如表1所示。

图3 高位定向长钻孔轨迹平面示意图

图4 高位定向长钻孔轨迹剖面示意图

表1 801工作面高位定向长钻孔竣工参数

3 高位定向长钻孔瓦斯抽采效果考察

高位定向长钻孔施工结束后下放套管并封孔，在钻孔抽采支管路上安装管道多参数测定仪，并在每个钻孔抽采管路上安装人工检测预留孔，瓦斯抽采参数随工作面与钻场距离的变化曲线如图5、图6 所示。

图5 钻孔抽采瓦斯浓度随工作面与钻场距离的变化曲线

图6 钻孔抽采瓦斯纯流量随工作面与钻场距离的变化曲线

由图5、图6可以看出，各钻孔瓦斯抽采主要分为3个抽采阶段：阶段1中顶板高位定向长钻孔瓦斯参数变化不明显，此阶段为工作面推进距钻孔终孔点50 m左右时，采空区垮落带形成裂隙区并未与顶板高位定向长钻孔沟通，由于钻孔周围属于原岩应力状态，透气性较差，抽采瓦斯浓度和纯流量均较低；阶段2中顶板高位定向长钻孔瓦斯浓度较高，此时垮落带形成并向断裂带发展，透气性增加，钻孔的抽采瓦斯浓度和抽采纯流量达到最大并保持稳定，钻孔抽采瓦斯浓度稳定在16%左右，抽采瓦斯纯流量稳定在9.05 m3/min左右，此时顶板高位定向长钻孔正在抽采断裂带高浓度瓦斯，单孔抽采瓦斯纯流量最大可达4.70 m3/min，抽采瓦斯浓度明显高于高抽巷；阶段3为衰减阶段，随着采空区顶板岩层逐步垮落、岩层趋于稳定，采空区中部的岩层逐渐被压实，岩层裂隙闭合，钻孔瓦斯纯流量及浓度逐步衰减。

801工作面回采期间监测回风流瓦斯浓度为0.18%～0.40%，工作面上隅角瓦斯浓度为0.30～0.60%。801回采工作面瓦斯浓度变化曲线如图7 所示。

图7 801回采工作面瓦斯浓度变化曲线

尽管高位定向长钻孔抽采瓦斯流量没有高抽巷抽采瓦斯流量大，但高位定向长钻孔抽采瓦斯浓度要大于高抽巷抽采瓦斯浓度，表明顶板高位定向长钻孔不仅能替代高抽巷完成采空区瓦斯抽采任务，同时还缩短了工作面准备时间，降低了生产成本。可以预计5个高位定向长钻孔可以替代高抽巷，实现“以孔代巷”抽采采空区瓦斯的目的。

4 顶板高位定向长钻孔与高抽巷瓦斯抽采效果对比

考察老厂矿区邻近矿井的邻近工作面，对同一标高和埋深、煤层赋存、地质构造、工作面大小相同的2个不同工作面回采期间高抽巷与高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果进行对比，如表2所示。

表2 工作面采空区不同瓦斯治理措施效果对比

由表2可知，邻近矿井回采工作面在高抽巷抽采条件下工作面平均抽采瓦斯纯流量为11.50 m3/min，瓦斯抽采率约为62%，工作面上隅角瓦斯浓度低于0.40%；在801工作面回采期间，高位定向长钻孔平均抽采瓦斯纯流量约为9.05 m3/min，瓦斯抽采率约为57%，工作面上隅角瓦斯浓度低于0.60%。高抽巷和顶板高位定向长钻孔二者的瓦斯抽采效果相当，均可以解决工作面回风流和上隅角瓦斯超限问题。但从经济效益角度考虑，施工顶板高位定向长钻孔成本比施工高抽巷节约75%，施工工期也比高抽巷缩短约60%。