高位定向鉆孔在采空區(qū)瓦斯治理中的應(yīng)用

蘆海廣，朱鵬飛

(1.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 晉城 048006;2. 山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 成莊煤礦，山西 晉城 048006)

成莊煤礦位于晉城市西北20 km 處，跨澤州和沁水兩縣，隸屬于晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司。2005年核定生產(chǎn)能力為800 萬(wàn)t/年，主采3#煤層，采煤工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤和一次采全厚采煤方法。2014 年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)384.59 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量122.71 m3/min，抽采量261.88 m3/min，屬高瓦斯礦井。成莊煤礦早期就曾試驗(yàn)推廣MK 系列鉆機(jī)施工頂板走向高抽鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，但由于鉆孔軌跡不能按設(shè)計(jì)要求施工到位、鉆孔接替存在空白區(qū)域等問(wèn)題，抽采效果一直很差。隨著開采技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)能的提升，采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)亟待提高。特別是近幾年，定向鉆機(jī)抽采效果好、成孔效率高、軌跡精度高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)已在本煤層抽采過(guò)程中得到充分體現(xiàn)，為此，成莊煤礦提出利用千米鉆機(jī)施工頂板高位定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)。

1 工作面概況

該礦5301 采煤工作面主采3#煤層，煤層厚度為6.6 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝，走向長(zhǎng)度1 512 m，傾向長(zhǎng)度194 m，采高為3.5 m，煤層傾角2° ～6°.老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為3.0 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為2.7 m，偽頂為泥巖，厚度為0.6 m.工作面采用“兩進(jìn)兩回”型通風(fēng)系統(tǒng)，回風(fēng)巷風(fēng)量為2 500 m3/min，瓦斯涌出量為10 ～15 m3/min，瓦斯涌出來(lái)源主要為本煤層和采空區(qū)，其中本煤層瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的40%，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%，回采過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗_(dá)到超限臨界值，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)。

2 頂板高位定向鉆孔抽采技術(shù)原理

采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的理論分析表明，覆巖的移動(dòng)破壞在豎直方向上通常劃分為“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶;在水平方向上形成3 個(gè)區(qū)，即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。煤層開采后上覆巖層運(yùn)動(dòng)形成豎向穿層破斷裂隙，其發(fā)育高度與開采煤層的采高及覆巖巖性有關(guān)，是開采煤層上鄰近層卸壓瓦斯運(yùn)移及涌向回采空間的主要通道，也可稱為“導(dǎo)氣裂隙帶”。隨著工作面推進(jìn)，采動(dòng)裂隙趨于重新壓實(shí)，采空區(qū)四周則形成相互連通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為采動(dòng)裂隙“O”形圈，周圍煤巖體內(nèi)的瓦斯解吸后通過(guò)滲流不斷地匯集到這一區(qū)域。

根據(jù)上述理論，頂板高位定向鉆孔布置在裂隙帶的“O”形圈內(nèi)，是工作面采空區(qū)抽采的關(guān)鍵所在;瓦斯抽放效果的好壞，主要取決于鉆孔布置層位、距回風(fēng)巷的距離及抽采量的大小。

3 頂板高位定向鉆孔設(shè)計(jì)

3.1 高位定向鉆孔剖面層位選擇

1)裂隙帶高度理論計(jì)算。

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的“豎三帶”理論，鉆孔在剖面上布置在裂隙帶內(nèi)，形成了卸壓瓦斯的流動(dòng)通道，在該范圍內(nèi)抽放瓦斯效果最好。根據(jù)以下裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式確定裂隙帶的層位:

式中:

H—裂隙帶高度，m;

M—采高，m.

5301 工作面3#煤層平均采高6.6 m，代入式(1)可得裂隙帶在煤層以上18.4 ～31.4 m.

2)采空區(qū)“三帶”數(shù)值模擬。

采用通用離散元程序UDEC 進(jìn)行采場(chǎng)上覆巖層的“三帶”變化特征相似數(shù)值模擬試驗(yàn)。

當(dāng)工作面推進(jìn)80 m 時(shí)，在煤層頂板鉛垂方法0 m以上處，布置400 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)工作面推進(jìn)時(shí)，煤層頂板的垮落情況，將數(shù)據(jù)從UDEC 中提取出來(lái)，在EXCEL中繪制成曲線，5301 工作面推進(jìn)80 m 時(shí)頂板的鉛垂位移曲線見(jiàn)圖1.

圖1 工作面推進(jìn)80 m 時(shí)頂板鉛垂位移曲線圖

在煤層頂板0 ～9.2 m 內(nèi)，頂板的鉛垂位移量為5.51 ～5.72 m，各測(cè)點(diǎn)的巖層下沉量比較大，都在5.51 m 以上，表明這部分巖層已經(jīng)垮落，此區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則垮落帶。在煤層的9.2 ～17.2 m 內(nèi)，頂板的鉛垂位移量為2.02 ～2.33 m，各測(cè)點(diǎn)的下沉量在2.02 m以上，巖層垮落，此區(qū)域?yàn)橐?guī)則垮落帶。

在煤層頂板18 m 處的鉛垂位移為0.885 m，而煤層頂板17.2 m 處的鉛垂位移為2.02 m，對(duì)比距煤層頂板17.2 m 處的鉛垂位移，減少56.2%，表明煤層頂板18 m 處巖層已經(jīng)斷裂下沉，但是沒(méi)有隨著17.2 m處的巖層一起垮落，所以，在煤層頂板17.2 ～60.1 m 內(nèi)為裂隙帶。

在距煤層頂板61 m 處的鉛垂位移為0.179 m，而煤層頂板60.1 m 處的鉛垂位移為0.885 m，對(duì)比距煤層頂板60.1 m 處的鉛垂位移，減少79.7%，在頂板60.1 ～73 m 處的頂板鉛垂位移都在0.179 以下，鉛垂位移量趨于穩(wěn)定，該范圍內(nèi)巖層之間下沉量相差很小，煤層頂板73 m 處的鉛垂位移為0.049 6 m，與煤層頂板70 m 處的鉛垂位移相比，減少72.3%，下沉量很小，巖層沒(méi)有斷裂，只有微小的彎曲下沉。

由以上分析可知:5301 工作面采空區(qū)上覆巖層“三帶”的分布為:垮落帶高度17.2 m，裂隙帶高度17.2 ～60.1 m，彎曲下沉帶高度60.1 m 以上。

根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬的結(jié)果，考慮到巖層定向鉆進(jìn)鉆具安全以及定向鉆具造斜能力，此次試驗(yàn)將高位定向鉆孔布置在距煤層以上30 ～60 m 的頂板中。

3.2 高位定向鉆孔平面位置確定

根據(jù)采動(dòng)裂隙場(chǎng)“O”形圈分布理論，隨著采煤工作面的推進(jìn)，采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實(shí)，而采空區(qū)四周存在一個(gè)離層裂隙發(fā)育的“O”形圈，其周邊寬度為34 m 左右，根據(jù)礦井實(shí)際情況鉆孔布置在距回風(fēng)巷20 ～50 m.

3.3 高位定向鉆孔數(shù)量確定

根據(jù)上覆巖層采動(dòng)裂隙分布的“O”形圈特征及成莊煤礦通風(fēng)工作面通風(fēng)特點(diǎn)，將試驗(yàn)高位定向鉆孔鉆場(chǎng)設(shè)于53012 巷，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)高位鉆孔3 個(gè)。

3.4 高位定向鉆孔孔徑確定

高位巖層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，瓦斯只從靠近孔底孔段開采擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙通道供給。因此，定向高位鉆孔可被看作是一條瓦斯抽采管道。

在相同抽采負(fù)壓和鉆孔深度條件下，隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔抽采能力也會(huì)大幅度提高。以長(zhǎng)度400 m 孔徑分別為94 mm 和145 mm 的鉆孔為例，抽采負(fù)壓為15 ～25 kPa 條件下，孔徑145 mm 的高位定向鉆孔瓦斯抽采流量達(dá)到孔徑94 mm 高位定向鉆孔的2 倍以上。為了達(dá)到良好的瓦斯治理效果，應(yīng)盡量增大鉆孔直徑。

結(jié)合孔內(nèi)鉆具安全以及瓦斯抽采需要，試驗(yàn)先采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)施工先導(dǎo)孔，鉆孔直徑94 mm;再更換常規(guī)鉆具和擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，將鉆孔直徑擴(kuò)大至145 mm.

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

4.1 鉆孔施工情況

2015 年3—6 月，5301 工作面分別在17#、11#和6#聯(lián)絡(luò)巷口共施工了9 個(gè)高位定向鉆孔，鉆孔均達(dá)到設(shè)計(jì)深度。為了提高鉆孔抽采量，部分鉆孔開了2 個(gè)分支，最大孔深達(dá)到426 m，總進(jìn)尺4 011 m，鉆孔孔徑均擴(kuò)大至145 mm，鉆孔主要抽采孔段均位于設(shè)計(jì)的煤層頂板以上30 ～60 m，見(jiàn)圖2，3.

圖2 5301 面高位定向鉆孔實(shí)際剖面軌跡圖

圖3 5301 面高位定向鉆孔實(shí)際平面軌跡圖

4.2 效果分析

1)高位鉆孔瓦斯抽采效果。

隨著工作面逐步回采，根據(jù)每個(gè)鉆孔瓦斯?jié)舛取⑼咚沽髁俊⑼咚辜兞?以下簡(jiǎn)稱濃度、流量、純量)的變化情況，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。11#聯(lián)絡(luò)巷3 個(gè)高位鉆孔瓦斯抽采濃度、流量和純量隨工作面推過(guò)鉆孔進(jìn)度的變化情況見(jiàn)圖4，5，6.

圖4 4#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

圖5 5#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

圖6 6#孔濃度、純量和流量變化曲線圖

由圖4 ～6 可知，工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔孔底50 m 左右時(shí)頂板垮塌形成裂隙，開始有流量，濃度達(dá)到75%左右，隨著工作面逐步推進(jìn)，流量增加到8 m3/min，且濃度保持在 40% 左右，可抽瓦斯的純量為3.2 m3/min，且能保持約200 m 的推進(jìn)度，這是平行工作面走向頂板孔的最大優(yōu)勢(shì)，鉆孔的服務(wù)時(shí)間長(zhǎng);后期頂板垮落穩(wěn)定，鉆孔流量降至2 m3/min 左右，濃度降至30%左右，相應(yīng)的純量降至0.6 m3/min 左右，此后作為普通低位鉆孔進(jìn)行抽采。

2)采空區(qū)瓦斯治理效果。

為了驗(yàn)證高位鉆孔抽采對(duì)工作面瓦斯治理的效果，比較工作面回采期間平均瓦斯涌出量在高位鉆孔抽采前后的變化，工作面平均瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量的關(guān)系圖見(jiàn)圖7.

圖7 工作面平均瓦斯涌出量與高位鉆孔抽采量的關(guān)系圖

由圖7 可知，高位鉆孔投運(yùn)后工作面平均瓦斯涌出量逐步下降，當(dāng)采空區(qū)高位鉆孔抽采量提升時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量對(duì)應(yīng)的降低，由最初的17 m3/min左右降低至11 m3/min 左右，下降幅度達(dá)35%，起到了治理采空區(qū)瓦斯的作用。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，針對(duì)高位定向鉆孔在頂板瓦斯治理中的應(yīng)用得出如下結(jié)論:

1)成莊煤礦采用“U 并U”型通風(fēng)方式和高位定向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯相結(jié)合的施工技術(shù)，改變了采空區(qū)瓦斯流向，減少了采空區(qū)涌入巷道的瓦斯量，降低了工作面絕對(duì)瓦斯涌出量。

2)在成莊煤礦高瓦斯礦井，通過(guò)高位定向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯，有效緩解了工作面回采過(guò)程中風(fēng)排瓦斯量大的突出矛盾，降低了工作面巷道瓦斯?jié)舛?，為安全生產(chǎn)提供了保障。

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