综放工作面布孔方式及层位选择考察研究

苏 龙 范 宁 贾优鹏

（中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300）

1 概况

王家岭煤矿隶属于中煤华晋集团有限公司，总体为单斜构造，伴有小型褶曲，地层倾角1°～3°，局部在10°左右。可采煤层自上而下分别为2、3、10#煤层，其中2、10#煤层为全区稳定可采煤层。2#煤层位于山西组中下部，厚度3.09～8.50 m，平均5.78 m，共划分为6个盘区。采煤工作面走向长1948 m，倾向长度269 m，煤层平均厚度6.9 m，倾角在+2°～+5°，煤层赋存稳定。采用“U”型通风方式，运输顺槽、回风顺槽均沿煤层底板布置，后退式综合机械化放顶煤开采。

根据测定报告，2#煤层瓦斯含量为2.94～3.27 m3/t，煤层透气性系数为0.023 4 m2/（MPa2·d），煤的硬度系数为0.49，煤层绝对瓦斯压力0.21 MPa。采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量35.38 m3/min。根据透气性系数可以看出，煤层渗透率较低，不利于采前瓦斯预抽。

煤层采动后的超前支承压力对开采煤层的渗透率变化起主要作用。掌握超前支承压力对本煤层瓦斯的卸压影响规律，不但为高瓦斯、低透气性煤层的安全高效开采提供了保证，同时可以更进一步促进煤与瓦斯共采技术体系的发展[1]。潘一矿采取了在上风巷中补打顶板穿层钻孔的方法，抽放采空区瓦斯，取得了显著效果[2]。许疃煤矿针对综放工作面瓦斯治理问题，采用了工作面顺层钻孔预抽本煤层瓦斯、顶板高位上向穿层钻孔抽采大采高工作面上邻近层瓦斯、顶板高位走向钻孔抽采本煤层同时拦截抽采上邻近层卸压瓦斯的综合瓦斯抽采技术[3]。结合现场实际，通过对工作面本煤层卸压瓦斯抽采布孔方式及层位选择进行考察研究，总结出适合本煤层卸压瓦斯抽采的最佳模式。

2 抽采钻孔设计

2.1 抽采系统

地面建设有高、低负压两套瓦斯抽采系统，各配备2台型号为2BEC-72型的水环式真空泵，1台使用，1台备用。抽采泵抽气量为565 m3/min，电机功率为710 kW。瓦斯抽采主管路均选取DN630 mm镀锌钢管，由地面泵站经回风斜井至总回风巷，沿总回风巷延伸至回风大巷北，支管采用Φ426 mm镀锌钢管连接至工作面回风巷。采用ZDY-6000LD履带式全液压钻机（ZDY-12000LD履带式全液压钻机）和YHD2-1000（A）型随钻测量系统，实现钻孔参数、轨迹的即时显示，按设计轨迹及时调整钻孔施工参数，施工孔深可施工400～600 m，孔径133 mm。

2.2 顶板低位穿层钻孔

钻场布置在工作面回风巷内，共设计5个钻场，25个钻孔。第1个钻场布置在回风巷1900 m处（距开切眼120 m），钻场间距为45 m，钻孔搭接长度35 m。每个钻场布置5个钻孔，钻孔孔深84～90 m，终孔高度在煤层顶板往上19～22 m[3]，水平方向为回风隅角向工作面方向覆盖26 m范围。在巷道中心线上开1#孔，钻孔之间开孔间距为0.7 m，5个钻场参数相同。钻孔参数见表1。

表1 钻场钻孔参数

2.3 高位水平定向钻孔

在同一个工作面回风巷共布置4个钻场，位置在回风巷1500 m、1050 m、500 m和材料通道口（回风侧），分别命名为E、F、G、H钻场。F钻场利用探水硐室，E、G、H钻场占用巷道施工，相邻钻场钻孔有效搭接距离为50 m。钻孔参数见表2。

表2 工作面钻场钻孔设计参数

3瓦斯抽采效果考察

3.1 顶板低位穿层钻孔

选取3个钻场的钻孔作为研究对象，收集钻孔的所有监测数据，将数据整理得到3个钻场不同层位的钻孔瓦斯浓度数据，统计对比得到浓度变化如图1～图3。

图1 1#钻场瓦斯浓度变化

图2 2#钻场瓦斯浓度变化

图3 3#钻场瓦斯浓度变化

从顶板低位穿层钻孔抽采浓度上看，整体瓦斯浓度变化不是太明显，3个钻场中4、5#钻孔的瓦斯浓度较其他的钻孔偏高，说明其层位更有利于瓦斯的抽采。

3.2 高位水平定向钻孔

选取2个钻场的钻孔作为研究对象，将钻孔所有监测数据整理得到三个钻场不同层位的钻孔瓦斯浓度数据，统计对比得到浓度变化如图4、图5。

图4 E钻场瓦斯浓度变化

图5 F钻场瓦斯浓度变化

从高位水平定向钻孔抽采浓度上看，钻孔在施工初期可抽采高浓度的瓦斯，随后抽采浓度逐渐降低；直到钻孔受到采动卸压影响后，抽采浓度又再次上升，持续很长一段时间并保持平稳，E、F钻场瓦斯浓度基本稳定在3%～10%之间。

4 钻孔垂直高度的确定

依据钱鸣高院士所提采场上覆岩层“砌体梁”力学模型以及经典矿压理论对采场周围岩体变形空间最具普遍性的区带划分，综放面覆岩从上往下分为：弯曲下沉带、裂隙带和垮落带。煤层开采会引起回采空间周围的岩层应力重新分布，在邻近层与开采层之间形成一个网状分布的岩石裂隙带，并处于卸压状态，从而形成了瓦斯流动通道，有利于瓦斯抽采。但在进行高位钻孔抽放瓦斯时，要想使高位钻孔参数布置合理，使其刚好处于裂隙带，必须对冒落带及裂隙带高度进行确定[4]。

垮落带和裂隙带高度计算公式：

式中：H1（m）为垮落带高度，m；H2（m）为裂隙带高度，m；m为开采煤层厚度，m；k为岩石碎胀系数，一般为1.2～1.4；θ为煤层倾角，（°）。

根据上述公式计算出该工作面垮落带平均高度约为23 m，裂隙带高度约为46 m。如将高位钻孔布置在裂隙带下部可以接近于垮落带，对解决工作面瓦斯涌入作用很大，但抽采浓度不高；如布置在裂隙带上部可以抽采邻近层部分瓦斯，但下部卸压瓦斯量大易涌入采煤工作面。综合考虑，将高位钻孔布置在裂隙带中部。

5 钻孔距巷道水平距离的确定

在煤层开采后，上覆岩层移动形成竖向的裂隙带和横向岩层的离层。在工作面推进后，采空区的顶板垮落，顶部的岩层被压实，而采空区周围在煤体支承压力作用下仍可保留一定程度的裂隙，在采空区的边界与离层区内形成一个环形的采动裂隙发育区，称之为“O”型圈[5-6]。由前面分析可知，钻孔布置在裂隙带内，抽采效果较好，因此工作面钻孔应布置在巷道内侧附近，与巷道平距（S）应为：

式中：α为回风巷附近断裂角，取经验值67°；β为煤层倾角，（°）；h为走向钻孔与煤层顶板的距离；▽S为钻孔伸入裂隙带水平投影长度，一般为6～15 m，这里取11 m。由公式计算得出，工作面S范围为25.79～35.66 m。

6 结语

由于高瓦斯采煤工作面的威胁主要表现在工作面回风隅角，瓦斯主要来源一是工作面综采支架上部、后部压裂松散煤体解析出的瓦斯，二是采空区遗煤解析的瓦斯。工作面采用U型通风，上隅角容易形成通风盲区，在回风隅角空顶垮落及采空区漏风量大时，易造成瓦斯溢出，引起瓦斯超限。目前，通过考察研究，使采煤工作面回风隅角瓦斯浓度控制在0.6%以下。随着开采条件的变化，采煤工作面的布置方式也会随之发生变化，可能会出现1个大面和1个小面，或者一个特大面，这样工作面瓦斯涌出量也相应增大。

根据三元煤矿瓦斯抽采情况，钻孔的直径越大越好，深入顶板裂隙区长度越长越好，以保证较长的抽采时间、较高的抽采率。大直径钻孔具有较大的钻孔自然瓦斯涌出量和较小的瓦斯流量衰减系数，抽采量大[6]。此次研究确定了该矿井瓦斯最佳抽采方式和抽采层位，为下一步开展153 mm大直径高位水平定向钻孔试验研究、释放先进产能奠定了基础。