定向高位孔合理抽采层位研究与分析

时间：2024-07-28

王凯姚学庆

（1.焦作煤业（集团）有限责任公司中马村矿，河南焦作 454000；2.焦作煤业（集团）有限责任公司科学技术研究所，河南焦作 454000）

中马村矿前期采空区瓦斯抽采主要采取插管抽采+冒落拱上方常规斜向高位钻孔抽采，虽能在一定程度上抑制厚煤层分层开采工作面上隅角瓦斯涌出，但钻孔施工量较大，且抽采效果不稳定，一般采取井下移动泵抽采，其抽采采空区瓦斯利用率较为有限[1]。随着瓦斯治理理念的不断深入，瓦斯综合治理效果提升，工作面回采工艺由厚煤层分层开采逐步转变为综采放顶煤开采工艺，极大地提高了矿井工作面单产能力，同时也对采空区瓦斯治理效果提出了更高的要求[2]。

3906工作面为矿井近年来首个突出煤层综采放顶煤工作面，其煤层赋存不稳定，在采取大斜长综采放顶煤工艺回采期间，采面瓦斯涌出强度高、不均衡，采空区瓦斯治理难度大。根据工作面顶板岩性实际情况，研究确定定向高位钻孔合理布置层位，大幅度提高高位抽采钻孔的利用效率[3]，实现采空区抽采瓦斯稳定、连续、可利用，对有效解决采空区瓦斯治理难题，进一步释放采煤工作面产能具有重要意义。

1 工作面概况

3906工作面位于39采区西翼中部，北为3904工作面（已回采），南为3908工作面（未掘），西临张田河新村保护煤柱，东到39皮带下山。工作面走向长约513 m，倾斜宽127.8～146 m，二1煤层倾角6°～16°，平均11°，工作面煤层厚度变化较大，整体煤厚2.1～10.8 m，平均6.3 m。

根据矿井4-7地面钻孔（工作面内）地层柱状，工作面煤层顶板以上依次为：0～1.7 m为炭质泥岩、泥岩（伪顶、直接顶），1.7～12.8 m为稳定厚砂岩（老顶），12.8～24.5 m为泥岩（约11.7 m），24.5～35.1 m为砂岩、粉砂岩（10.6 m），35.1～40.1 m为泥岩，40.1～51.4 m为砂岩、粉砂岩（11.3 m），51.4～58 m为泥岩，58～67 m为砂岩，顶板覆岩属中硬类型。

2 定向高位孔合理层位选择

按照中国矿业大学（北京）关于综放开采工作面“两带”高度预计公式计算垮落带高度为23.66～33.08 m，裂隙带高度为62.47～85.45 m。根据煤层顶板实际岩性结合岩层控制关键层理论[4-5]，工作面老顶砂岩是对采场矿压显现产生影响的下位亚关键层，距煤层顶板24.5～35.1 m（厚度10.6 m）、40.1～51.4 m（厚度11.3 m）、58～67 m（厚度9 m）砂岩、粉砂岩均可作为上位亚关键层或主关键层。随着工作面回采老顶砂岩随之垮落，但老顶以上11.7 m厚度的泥岩在其上多层砂岩支撑下破碎并不充分，因此分析实际垮落带高度可能不足24.5 m。在其上的多个砂岩层位夹杂着两层厚度5 m的泥岩，将进一步阻止岩层裂隙传导，分析裂隙带高度可能不足58 m。

该结论与理论计算结果基本吻合，考虑到粉砂岩夹泥岩、泥岩层将对采空区瓦斯向上运移产生阻碍，分析确定高位定向钻孔合理抽采层位应为距煤层顶板40.1～51.4 m的砂岩、粉砂岩，并在距煤层顶板12.8 m稳定厚泥岩下方施工一组钻孔进行补充。

3 定向高位孔施工抽采情况

3.1 定向高位孔施工成果

在3906工作面回风巷统尺230 m位置施工完成6个顶板定向高位孔，累计钻进深度1689 m、平均单孔281.5 m。钻孔终孔位置距回风巷平距9.27～29.02 m，距煤层顶板垂距8.56～12.7 m、40.11～50.33 m。同时在回风巷统尺480 m处、388.5 m处下帮钻场，分别施工一组常规高位孔进行补充抽采，平均孔深80 m，钻孔终孔层位距回风巷平距0～15 m，距煤层顶板垂距17～19 m。钻孔实钻、终孔剖面位置如图1、图2。

图1 高位钻孔实钻轨迹图

图2 高位钻孔终孔位置剖面图（m）

3.2 定向高位孔抽采情况

工作面回采初期主要通过常规高位孔进行采空区瓦斯抽采，同时，采取工作面上隅角埋管抽采措施。然而，工作面上隅角埋管抽采效果一般，其抽采纯量整体处于低位，工作面采空区瓦斯治理主要依靠高位孔抽采。高位孔抽采纯量呈现先逐步上升后缓慢下降，最终趋于稳定。高位孔及上隅角埋管抽采纯量随时间变化情况如图3。

由图3可见，前期高位孔抽采纯量上升主要受两方面因素影响：一是随着工作面推进，采空区顶板逐渐垮落，形成瓦斯运移通道，高位孔抽采效果逐步显现，即回采初期主要依靠1#钻场5个常规高位孔抽采，高位抽采纯量随工作面推进逐渐增大，由初期0.03 m3/min逐渐增加至1.50 m3/min，平均0.62 m3/min；二是多个钻场钻孔同时连抽，使得高位抽采纯量进一步增大，即10月20日前后补1#钻场常规高位孔、2#钻场定向高位孔开始连抽，3个钻场多个钻孔同时抽采，高位抽采纯量0.96～2.39 m3/min，平均1.83 m3/min，持续保持较好抽采效果。高位抽采纯量缓慢下降阶段也主要受两方面因素影响：一是随工作面推进，1#钻场及补1#钻场常规高位孔分别于11月7日、11月30日关停，在抽钻孔减少，高位抽采纯量下降，11月中下旬抽采纯量下降至平均1.55 m3/min；二是部分定向高位钻孔出水导致抽采间断，实际在抽定向高位孔仅3个，12月中上旬定向高位孔抽采纯量进一步下降至平均0.92 m3/min，并持续至2021年1月底。后期部分高位孔间断连抽，抽采纯量出现一定起伏。

图3 高位孔及上隅角埋管抽采纯量随时间变化情况

4 定向高位孔抽采效果分析

4.1 合理抽采层位分析

结合工作面回采期间钻孔终孔位置变化情况，统计分析中马村矿3906工作面自回采以来1#钻场、补1#钻场常规高位孔、2#钻场定向高位孔抽采浓度，并绘制钻孔抽采瓦斯浓度随高位钻孔平距、垂距分布图，如图4。

图4 高位孔抽采瓦斯浓度分布图

由图4（a）可见，高位钻孔高瓦斯浓度抽采层位主要分布在距煤层顶板12.76 m位置附近（图中黑色实线位置，即顶板泥岩下方），以及45 m左右砂岩层位。在距煤层顶板12.76 m（顶板泥岩层位）以下，随着层位降低，抽采浓度逐渐降低；距煤层顶板12.76～24.46 m之间（顶板泥岩层位内），随着层位增大，抽采浓度逐渐降低，仅个别钻孔（1-3#钻孔）表现高浓度抽采效果。综上分析认为，垂直方向上，3906工作面采空区瓦斯分布主要受煤层顶板泥岩阻隔影响：距煤层顶板12.76～24.46 m位置的泥岩（厚度11.3 m）虽处于冒落带内，但并不会像砂岩、粉砂岩一样随工作面回采不规则垮落、形成大量裂隙通道，多为整体规则垮落，并形成少量裂隙，因此该范围采空区瓦斯在泥岩下方聚集，并随少量裂隙向上运移，形成在泥岩下方有效抽采空间以及泥岩层位内个别高效抽采现象。

由图4（b）可见，高位钻孔抽采瓦斯浓度随钻孔距回风巷平距变化分布区分并不明显。其中距回风巷平距2～16 m位置主要为常规钻孔抽采浓度，距回风巷平距16～30 m位置主要为3个定向高、低位孔，2个区间内钻孔抽采瓦斯浓度整体分布较为均匀。结合图4（a）分析认为，钻孔抽采瓦斯浓度主要受钻孔层位影响（距煤层顶板垂距）。

4.2 采空区瓦斯治理效果分析

中马村矿3906工作面采用综采放顶煤工艺自2020年9月11日试生产，至2021年3月15日（约6个月）累计回采进尺290 m，平均日进尺为1.4 m；累计产量34.86万t，平均月产量5.81万t，最高月产量6.62万t（2021年2月），平均日产量1885 t。3906工作面回采以来，总瓦斯涌出量平均4.63 m3/min，其中风排瓦斯量平均3.14 m3/min，占67.82%，高位抽采瓦斯量平均1.26 m3/min，占27.21%，上隅角插管抽采瓦斯量平均0.23 m3/min，占4.97%，计算相对瓦斯涌出量3.54 m3/t。在仅3个定向高位孔连抽的状态下，高位抽采纯量仍保持1 m3/min左右，且单孔最高瓦斯抽采浓度达到82%，平均瓦斯抽采浓度28.4%，定向高位抽采瓦斯实现抽采利用。工作面回采期间风流瓦斯涌出量持续保持平稳，有效保证了3906综放工作面的安全、高效回采。