采空區斜交抽采鉆孔參數的設計誤區

李艷群 陳 昊

（鐵法煤業〈集團〉有限責任公司曉明礦 遼寧 調兵山 112700）

1 采空區斜交鉆孔抽采的理論基礎

1.1 圍巖移動“三帶”劃分與瓦斯抽采簡析

煤層采動后，圍巖發生不同程度的破壞和變形，開采層上部依次出現冒落帶、裂隙帶、彎曲變形帶；下部產生裂隙帶和膨脹變形帶。

冒落帶瓦斯抽采抽出的瓦斯濃度低，抽放利用率也較低。

圖1

裂隙帶是抽放上鄰近層瓦斯的最佳地帶，如圖1所示，為沿煤層法線方向上采空區頂板冒落三帶與瓦斯濃度分布的情況。頂板裂隙帶為采空區斜交鉆孔抽采主要作用區域。

靠近裂隙帶的彎曲變形帶因卸壓程度低，還有較好的抽放瓦斯效果。受卸壓作用影響煤層透氣性有所增加，使抽放卸壓瓦斯量比原始煤體高，抽出瓦斯濃度也較高。

1.2 卸壓瓦斯“三期”劃分與巖移“三區”劃分

煤層開采后，礦壓顯現使煤體得到卸壓，工作面前方超前影響對鄰近層的瓦斯釋放作用很小，起主導作用的是煤層開采后形成的冒落空間。采空區達到一定距離和時間后，伸張的巖石又逐漸被壓實為壓縮變形，由開始卸壓經過充分卸壓，最后達到穩定期的三個區段，如圖2所示，也正是鄰近層瓦斯從開始期經過活躍期最后達到衰退期的向采空區涌出的過程。卸壓瓦斯“三期”相對應的賦存空間，即巖移“三區”；包括煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區。綜合表示圖如圖3。

圖2 沿工作面走向卸壓的三個區段

圖3 工作面巖移的“三區”與“三帶”

2 回采期間斜交抽采鉆孔參數的設計誤區

抽采實踐資料表明，沿工作面走向方向，煤壁前方（超過30m）至工作面后方40m左右，約兩個煤層垂直層間距為開始期，因煤層圍巖透氣性低的特點，此段超前抽采效果不好；30～80m左右，約二倍層間距為活躍期，此段為瓦斯抽采主要作用段；80m往后為衰退期。抽放鉆孔終孔落在活躍期時，抽出的瓦斯濃度高，而且流量穩定，服務時間較長。但有效鉆孔小于50%，造成鉆孔數目多，打鉆工程量大。

斜交抽采鉆孔設計參數包括開孔位置、孔深、傾角和方位角；在特定的鉆場施工時，就是確定鉆孔終孔點，確定相應的有效抽采區域，并以此選擇確定鉆孔的孔深、傾角和方位角。依據理論鉆孔終孔點布置在瓦斯活躍期的裂隙帶內，是理想的設計狀態；合理的抽采狀態應當是相鄰兩鉆場的鉆孔有效抽采區域在空間上能夠重疊，并且前鉆場的高濃度終點恰好接續下一鉆場高濃度起點，即鉆孔有效抽采空間重疊和抽采連續。

“三區”與“三帶”的量化劃分是理論推導和經驗公式計算的區域劃分；影響鉆孔抽采效果的因素中，除周期來壓步距有實際數據外，冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實際量化值；隨著工作面的推進，瓦斯活躍期裂隙帶的實際區 域也是變化、移動的，所以，鉆孔終孔點不能反映動態工作面中鉆孔實際有效抽采區域，在巖移裂隙帶離層區，因巖層移動，原煤壁支撐影響區施工的鉆孔也是彎曲下沉的，而非設計狀態，加上成孔時的孔斜因素，都造成斜交鉆孔空間上重疊不理想和實際抽采不接續或效果不佳。

上述分析反映出鉆孔終孔點 （相應的有效抽采區域）的設計選擇不合理，以靜態的、理論性的、總體經驗上的瓦斯活躍期裂隙帶位置，來確定鉆孔終孔點，即實際動態有效抽采區域，是斜交抽采鉆孔設計的誤區；以鉆孔設計終孔點而非實際鉆孔有效抽采區域來評價斜交抽采鉆孔參數的的合理性，也是斜交抽采鉆孔設計反饋評價的誤區。

3 回采期間斜交抽采鉆孔參數的設計

3.1 回采中卸壓瓦斯“三期”有周期性和連續性

工作面推進到一定距離后，隨著推進長度的增大，冒落高度基本不變，而裂隙帶繼續擴大。但在工作面均勻連續開采時，隨周期來壓步距的連續變化，采空區的“三帶”高度及相應卸壓瓦斯“三期”也成周期連續變化；在抽采鉆場布置與周期來壓步距同步或等比時，上一鉆場鉆孔的有效抽采區域也會周期出現在相應的空間位置。

3.2 抽放有效區域與各個抽放影響因素的關聯值

實際工作中，冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實測量化值；鉆孔彎曲下沉量、孔斜率也無實時動態量化值，瓦斯活躍期裂隙帶的實際區域也是無法界定，但上述各量化值都可用工作面煤壁位置或煤層頂板位置為參照點或相對原點；同時，工作面抽采中的鉆孔抽采效果可反映該鉆孔是否在實際有效抽采區域，而此時鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置、法線位置都可以確定并量化，通過測量開孔點（回順鉆場）到工作面的實際距離及鉆孔的傾角和方位角，可計算出具體值；此值，即鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置和法線位置值，是鉆孔在實際有效抽采區域時通過工作面（煤壁）與各個無法量化因素聯系的關聯值。

鉆孔的抽采效果可以測量和評價，這樣就把無法測量的動態因素通過關聯值量化；鉆孔抽采率高的關聯值區域，可以在下一抽采周期作為斜交抽采鉆孔參數設計的原始依據；因此值來源于實測，有可靠的參考和依托性，避免了使用鉆孔終孔點、“三期”、“三帶”等模糊值進行設計參數。

在相同地質條件和相同鉆孔施工工藝下，關聯值的使用也可以消除采空區鉆孔彎曲下沉和孔斜因素對抽放有效區域、鉆孔抽采效果評價的影響，可提高對回采期斜交抽采鉆孔參數優化選擇。

圖4 關聯值進行斜交抽采鉆孔參數設計剖面示意圖

3.3 采用關聯值進行斜交抽采鉆孔參數設計

通過上一鉆場（鉆孔）或試驗鉆孔的抽放觀測，評定選取抽放有效區域，測量此時開孔點（回順鉆場）到工作面的實際距離，根據鉆孔的傾角和方位角，計算關聯值或關聯值區域，即鉆孔在工作面煤壁上的傾向位置和法線位置值；然后根據回采推進度確定或預計工作面位置，再結合下一鉆場（開孔位置），預計或圖上量取開孔點（回順鉆場）到工作面的距離，計算出鉆孔設計參數：鉆孔設計傾角和鉆孔設計方位角，如瓦斯活躍期界值取40米，孔深平距長度設計到預計工作面后（采空區）40米，根據鉆孔設計傾角和鉆孔設計方位角計算鉆孔長度（斜長）。如圖4、圖5

圖5 關聯值進行斜交抽采鉆孔參數設計平面示意圖

4 結束語

采用關聯值進行斜交抽采鉆孔參數設計的方法，運用回采中卸壓瓦斯“三期”有周期性和連續性理論，解決冒落帶高度、裂隙帶高度、頂板巖層跨落角無實測量化值及鉆孔彎曲下沉量、孔斜率無實時動態量化值的問題；在實際工作中有可操作性，不具體界定瓦斯活躍期裂隙帶的實際區域，就能采用關聯值進行斜交抽采鉆孔參數設計；在曉明礦北二采區上盤向斜構造上的四個長走向采場都有應用，仰采、俯采抽放效果良好。

［1］張鐵崗.煤礦安全工程設計[M].

［2］張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].

［3］李國君，等.鐵法礦區煤層氣甲烷資源開發的理論基礎[M].

［4］張德江.大力推進煤礦瓦斯抽采利用[M].