板定向瓦斯抽采鉆孔合理層位確定及其抽采效果分析

薛偉超

(1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省撫順市，113122；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

深部厚煤層開(kāi)采存在“三高一擾動(dòng)”特征[1]，煤層瓦斯含量顯著增大，沖擊地壓和瓦斯復(fù)合災(zāi)害工作面快速回采常誘發(fā)瓦斯異常涌出[2-3]。頂板鉆孔是治理工作面瓦斯異常涌出的有效措施，鉆孔設(shè)計(jì)需要合理確定頂板鉆孔的施工層位，其關(guān)鍵是確定工作面頂板導(dǎo)氣裂縫帶的高度區(qū)間。只有將頂板鉆孔水平部分布設(shè)在工作面上覆巖層的導(dǎo)氣裂縫帶內(nèi)，才能起到較好的瓦斯抽采效果。常見(jiàn)的頂板導(dǎo)氣裂縫帶的確定方法有工程類(lèi)比法、經(jīng)驗(yàn)公式法[4]、數(shù)值模擬法[5]、物理相似模擬法等。傳統(tǒng)的頂板瓦斯抽采是在工作面回采巷道每隔一定距離施工一個(gè)高位鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)向頂板施工數(shù)組高位鉆孔抽采頂板裂縫帶瓦斯；10余年來(lái)，隨著鉆進(jìn)技術(shù)的提升[6-8]，定向鉆孔抽采瓦斯在井下巷道掘進(jìn)[9]和工作面回采[10-12]中大量應(yīng)用。定向鉆孔抽采瓦斯具有施工鉆場(chǎng)少、施工過(guò)程中對(duì)生產(chǎn)干擾少、瓦斯抽采濃度和抽采量波動(dòng)變化小等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)鉆孔施工層位準(zhǔn)確度要求較高。

唐口煤礦作為采深超過(guò)1 000 m的高瓦斯礦井，隨著采深的逐漸增大，沖擊地壓顯現(xiàn)活動(dòng)增強(qiáng)，煤層瓦斯含量增大，再加上集約化工作面高強(qiáng)度快速回采，瓦斯異常涌出現(xiàn)象頻發(fā)，造成井下局部地區(qū)有可能出現(xiàn)瓦斯超限，嚴(yán)重影響工作面安全生產(chǎn)，因此必須采取必要的措施降低工作面瓦斯?jié)舛?。在分?305工作面回采后頂板裂縫帶發(fā)育范圍的基礎(chǔ)上，研究了頂板定向鉆孔在唐口煤礦的合理層位及其瓦斯抽采效果，并與傳統(tǒng)的高位鉆場(chǎng)鉆孔抽采技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，為同類(lèi)工作面瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

唐口煤礦位于山東省濟(jì)寧市，630采區(qū)主采3號(hào)煤層，埋深935.4～990.0 m，煤層傾角約3°，煤層平均厚度為10.08 m；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受斷層及褶曲等構(gòu)造影響較小。6305工作面走向長(zhǎng)1 166 m，傾向長(zhǎng)65 m。6305工作面煤層頂板巖性及厚度如圖1所示。

圖1 6305工作面煤層及頂板綜合地質(zhì)柱狀圖

回采前測(cè)定3號(hào)煤層瓦斯含量在0.73～2.58 m3/t之間，預(yù)測(cè)6305工作面相對(duì)瓦斯涌出量為0.40 m3/t，絕對(duì)涌出量為4.6 m3/min，局部瓦斯涌出量變化較大。煤自然發(fā)火期為69～156 d，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

6305工作面采用U型通風(fēng)，走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤法進(jìn)行回采，全部垮落法管理頂板。6305工作面是典型的集約化工作面，平均推進(jìn)速度可達(dá)10 m/d左右甚至更高，是一般綜放工作面回采速度(4～6 m/d)的2倍左右；割煤高度為4.50 m、放煤高度為5.58 m，開(kāi)采強(qiáng)度極大。

2 定向鉆孔合理布置層位確定

在工程條件分析的基層上，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和數(shù)值模擬分析的方法求解6305工作面頂板裂縫帶高度及范圍。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

采煤工作面上覆頂板巖層導(dǎo)氣裂縫帶高度范圍可以根據(jù)工作面回采后采空區(qū)的冒落帶、裂縫帶的高度計(jì)算，具體由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中公式計(jì)算得出。6305工作面上覆巖層多為泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖，屬中硬類(lèi)型頂板，上覆巖層裂縫帶計(jì)算如式(1)、式(2)：

式中：Hm——采空區(qū)冒落帶高度，m；

Hl——采空區(qū)裂縫帶高度，m；

ΣM——煤層開(kāi)采高度，m。

6305工作面煤層厚度10.08 m，假設(shè)割煤高度和放煤高度合計(jì)等于煤層厚度，即全部煤厚采放完全。根據(jù)頂板各巖層的巖性，帶入計(jì)算并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，取6305工作面的冒落帶高度為17.4 m、裂縫帶高度為45.5 m，即頂板導(dǎo)氣裂縫帶的高度區(qū)間為煤層底板以上17.4～45.5 m。

2.2 數(shù)值模擬分析

6305工作面回采巷道斷面為近似5 m×4 m的矩形，采煤工作面開(kāi)切眼斷面為5 m×4 m。結(jié)合工作面尺寸再加上10～20 m的距離以減小邊界效應(yīng)，取130 m長(zhǎng)的工作面分析；綜合考慮網(wǎng)格質(zhì)量及計(jì)算速度，采用Design Model最終建立尺寸為130 m×75 m×65 m(走向×傾向×高)的數(shù)值模型。采用Mesh模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 6305工作面瓦斯抽采模型網(wǎng)格劃分

為簡(jiǎn)化數(shù)值模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算模型作出如下假設(shè)：

(1)3號(hào)煤層傾角3°，簡(jiǎn)化為水平煤層；

(2)忽略巷道斷面長(zhǎng)度方向上的變化及巷道變形，將工作面回采巷道與開(kāi)切眼簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)矩形；

(3)忽略支架與采煤機(jī)等巷道內(nèi)機(jī)電設(shè)備對(duì)風(fēng)流的影響；

(4)忽略工作面周期來(lái)壓與沖擊動(dòng)力現(xiàn)象對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的影響；

(5)忽略巷道煤壁瓦斯自然涌出對(duì)瓦斯抽采的影響。

按照以上假設(shè)，工作面風(fēng)量取平均值1 760 m3/min，瓦斯抽采壓力為-13 kPa[13]，將模型生成網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent。 數(shù)值模擬方案參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)上文計(jì)算，頂板導(dǎo)氣裂縫帶的高度區(qū)間為煤層底板以上17.4～45.5 m，按照傳統(tǒng)采高M(jìn)倍數(shù)的度量方式，依表1所示方案模擬6305工作面單一鉆孔瓦斯抽采，分析瓦斯抽采情況。

通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算抽采鉆孔孔壁周面的瓦斯質(zhì)量流量分?jǐn)?shù)，得出單孔瓦斯抽采濃度隨鉆孔終孔高度變化的規(guī)律，如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)鉆孔終孔高度處在較低的2M、2.5M高度時(shí)，鉆孔終孔處于頂板冒落帶上方，裂隙空間發(fā)育，孔隙率也較大，但是由于瓦斯在自由空間內(nèi)向上部空間運(yùn)移集聚，且鉆孔大部分處在冒落帶范圍內(nèi)，因而瓦斯抽采濃度相對(duì)較低，僅處于10%～11%的水平。當(dāng)鉆孔終孔位置由3M逐漸升高到4M時(shí)，鉆孔終孔進(jìn)入到頂板裂縫帶范圍的上部區(qū)域，瓦斯集聚濃度高；鉆孔下部受采動(dòng)影響相對(duì)較小，漏風(fēng)量逐漸減小，因而抽采瓦斯?jié)舛扔?0%快速增加到40%左右。當(dāng)鉆孔終孔高度為4.5M時(shí)，終孔高度處于裂縫帶上部邊界附近，裂隙空間逐漸被壓實(shí)，鉆孔在裂縫帶內(nèi)的有效長(zhǎng)度占比較小，實(shí)際抽采的瓦斯量和瓦斯?jié)舛戎饾u降低。

圖3 不同高度的高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

綜上，單一鉆孔抽采條件下，隨著鉆孔終孔高度的逐漸增加，鉆孔抽采裂縫帶內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并在距煤層底板4M高度(40.32 m)處達(dá)到峰值。因此，6305工作面頂板鉆孔的合理布設(shè)層位為距煤層底板4M高度附近，這也與前文的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相符。

3 定向鉆孔布置方案

工作面頂板“O-X”破斷垮落形成“O型圈”導(dǎo)氣裂縫帶[14-15]，煤層傾向不同位置的裂縫帶高度范圍有所差異，因此實(shí)際施工時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)沿傾向方向不同位置處高位鉆孔的終孔點(diǎn)高度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。采用ZYWL-6000DA型煤礦用履帶式全液壓鉆機(jī)在6305膠帶運(yùn)輸巷與6305聯(lián)絡(luò)巷交叉口鉆場(chǎng)內(nèi)向膠帶運(yùn)輸巷內(nèi)側(cè)頂板裂縫帶內(nèi)施工3組鉆孔，包括3個(gè)主孔和1個(gè)分支孔，施工參數(shù)見(jiàn)表2，具體定向鉆孔施工布置如圖4所示。定向鉆孔按照2號(hào)、3號(hào)、1號(hào)孔的順序逐次施工。實(shí)際鉆孔施工的平均機(jī)械鉆速由2號(hào)孔的25 m/班，逐漸提高到1-1號(hào)孔的61 m/班，單班最大進(jìn)尺75 m/班，單日最大進(jìn)尺216 m。

表2 頂板定向鉆孔竣工參數(shù)表

圖4 頂板定向鉆孔施工布置

4 定向鉆孔瓦斯抽采效果

鉆孔施工完成后，立即接鉆孔抽采管路，同時(shí)在各分支鉆孔預(yù)留瓦斯流量測(cè)定口和取樣口，1號(hào)、1-1號(hào)分支鉆孔合并考察，對(duì)瓦斯抽采流量和瓦斯抽采濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5。

圖5 頂板定向鉆孔瓦斯抽采情況

(1)1號(hào)鉆孔的單孔抽采量在15～18 m3/min，2號(hào)鉆孔單孔抽采量在16～18 m3/min，3號(hào)鉆孔單孔抽采量為5～9 m3/min。3組鉆孔總瓦斯抽采量為39～44 m3/min。高位鉆孔單孔平均瓦斯抽采量為6 m3/min，總瓦斯抽采量為34～36 m3/min。相比傳統(tǒng)高位鉆孔，由于瓦斯抽采距離縮短，鉆孔直徑變大，形成更大的抽采比表面積，且抽采過(guò)程中不存在抽采位置的高低變化，瓦斯總抽采量增加了5～8 m3/min，增幅為14.7%～22.2%。在這3組鉆孔中，3號(hào)鉆孔抽采量最小，主要是由于3號(hào)鉆孔布置在中砂巖中，且鉆孔偏離膠帶運(yùn)輸巷進(jìn)入工作面12 m左右，工作面回采后垮落呈漏斗形，在頂板來(lái)壓和地應(yīng)力的作用下鉆孔受壓變形，造成鉆孔塌孔，鉆孔內(nèi)空間變小，同等負(fù)壓條件下瓦斯抽采相對(duì)較??；1號(hào)鉆孔、2號(hào)鉆孔水平孔段主要分布在細(xì)砂巖和粉砂巖中，巖層硬度大，不易塌孔；1號(hào)鉆孔合并計(jì)算1-1號(hào)分支孔，因此抽采量相對(duì)較大。對(duì)比可知，將頂板定向鉆孔布置在6305工作面頂板的細(xì)砂巖和粉砂巖中，同時(shí)減小鉆孔進(jìn)入工作面的距離，可以進(jìn)一步增大單孔瓦斯抽采量。

(2)1號(hào)鉆孔抽采濃度在7%～13%之間，2號(hào)鉆孔抽采濃度在5%～7%之間，3號(hào)鉆孔抽采濃度在9%～15%之間。其中，3號(hào)鉆孔抽采濃度最高，也離工作面運(yùn)輸巷最遠(yuǎn)，1號(hào)鉆孔次之，2號(hào)鉆孔由于施工過(guò)程中曾經(jīng)碰到一根錨索，可能存在漏氣，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度最小。傳統(tǒng)鉆場(chǎng)高位鉆孔的平均瓦斯抽采濃度為5%～10%。相較而言，頂板定向鉆孔的整體瓦斯抽采濃度提高了2%～5%。

(3)1號(hào)鉆孔單孔抽采純量為1.2～2.0 m3/min，2號(hào)鉆孔單孔抽采純量為0.8～2.0 m3/min，3號(hào)鉆孔單孔抽采純量為0.7～1.2 m3/min。其中，3號(hào)鉆孔布設(shè)層位最高，由于高位裂縫空間的重新壓實(shí)及頂板巖層變形破壞導(dǎo)致鉆孔局部坍塌，其瓦斯抽采純量較低；2號(hào)鉆孔在施工過(guò)程中碰到一根錨索，可能存在漏氣，導(dǎo)致瓦斯抽采量較大而瓦斯抽采濃度和純量相較1號(hào)鉆孔小；1號(hào)鉆孔由于所在巖層較硬，鉆孔成孔狀態(tài)好，瓦斯抽采濃度高，抽采純量大。3組鉆孔總瓦斯抽采純量為3～5 m3/min，多穩(wěn)定在3～4 m3/min；相比傳統(tǒng)高位鉆孔1.6～2.5 m3/min的總瓦斯抽采純量，增加了1.4～1.5 m3/min，增幅高達(dá)60.0%～87.5%。

從瓦斯治理效果上看：對(duì)比分析瓦斯抽采效果和定向鉆孔布置的位置關(guān)系，隨著鉆孔層位的提高，距離巷幫水平距離的增大，瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純流量逐漸增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了裂縫帶瓦斯的分布規(guī)律與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果相符；傳統(tǒng)高位鉆孔抽采時(shí)的工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛然驹?.25%～0.32%之間，隅角瓦斯?jié)舛仍?.42%～0.65%之間，頂板定向鉆孔抽采后的工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.22%～0.25%之間，隅角瓦斯?jié)舛仍?.35%～0.55%之間，達(dá)到了更優(yōu)的瓦斯治理的效果。

5 定向鉆孔施工工效分析

5.1 工程量比較

取每500 m工作面回采巷道作為1個(gè)單元施工瓦斯抽采鉆孔比較。使用普通鉆機(jī)施工高位鉆孔，鉆場(chǎng)間距50 m，需要開(kāi)10個(gè)鉆機(jī)房，每個(gè)鉆場(chǎng)施工3個(gè)高位鉆孔，鉆孔平均長(zhǎng)度為100 m，則每個(gè)鉆場(chǎng)需要施工鉆孔長(zhǎng)度為300 m，500 m巷道施工鉆孔總長(zhǎng)度為3 000 m。使用千米定向鉆機(jī)施工，需要施工1個(gè)鉆場(chǎng)、3組鉆孔，每個(gè)鉆孔500 m，施工鉆孔總長(zhǎng)度為1 500 m，鉆孔總工程量減少50%。

5.2 施工時(shí)間比較

普通鉆機(jī)(杭鉆)施工，平均每個(gè)鉆孔需要2.5 d(含拖移鉆機(jī)時(shí)間)，30個(gè)鉆孔需要75 d；定向鉆機(jī)施工，在6305工作面施工平均速度為70 m/d，3個(gè)鉆孔需要21 d，施工時(shí)間縮短了72%。

5.3 施工費(fèi)用比較

(1)高位鉆場(chǎng)鉆孔：由外委單位施工，鉆孔(含空口管及花管費(fèi)用)520元/m，鉆場(chǎng)2萬(wàn)元/個(gè)，鉆孔施工共計(jì)費(fèi)用176萬(wàn)元。移設(shè)瓦斯抽采鉆孔、回撤抽采管路、投入瓦斯抽采管路費(fèi)用合計(jì)16萬(wàn)元。每500 m回采巷道合計(jì)費(fèi)用192萬(wàn)元。

(2)頂板定向鉆孔：由鉆機(jī)制造單位施工，鉆孔600元/m，鉆機(jī)房2萬(wàn)元/個(gè)，每500 m回采巷道共需費(fèi)用92萬(wàn)元。

經(jīng)計(jì)算，每500 m巷道能夠節(jié)約成本100萬(wàn)元。

6 結(jié)論

(1)6305工作面的冒落帶高度為17.4 m、裂縫帶高度為45.5 m，裂縫帶區(qū)間為17.4～45.5 m，其中距煤層底板40.32 m處是布置頂板定向長(zhǎng)鉆孔的最佳層位。

(2)6305厚煤層快速回采工作面頂板定向鉆孔瓦斯抽采量為39～44 m3/min，比高位鉆孔增加5～8 m3/min，增幅達(dá)14.7%～22.2%；頂板定向長(zhǎng)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸畲罂蛇_(dá)15%；定向鉆孔瓦斯抽采純量比高位鉆孔增加了1.4～1.5 m3/min，增幅高達(dá)60.0～87.5%。

(3)與傳統(tǒng)高位鉆場(chǎng)鉆孔抽采頂板裂縫帶瓦斯相比，采用定向長(zhǎng)鉆孔能夠在保證不降低瓦斯治理效果的前提下，鉆孔總工程量減少50%，施工時(shí)間縮短72%，每500 m回采巷道能夠節(jié)約成本100萬(wàn)元。