走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯試驗研究

吳衛兵

（沁和能源集團有限公司安監部，山西 晉城 048204）

針對沁和能源集團永安煤礦215工作面走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯進行試驗研究，并考察抽放效果。

1 高位鉆孔布置

在永安煤礦215工作面布置2組走向高位鉆孔，如圖1所示。從圖中可知，1號鉆場布置4個鉆孔，孔徑153mm，長度450m，1號～4號鉆孔終孔水平投影點距回風順槽的距離為75m、62m、33m和10m。2號鉆場5個鉆孔，孔長為300 m，1號～5號鉆孔終孔位置分別位于煤層上方35m、40m、45m、88m和88m的巖層中，終孔點距離回風巷分別為15m、25m、35m、45m和55m。

2 鉆孔施工分析

試驗中鉆機選用ZDY6000LD（F）定向鉆機，最大給進起拔壓力180kN；鉆桿使用Ф89mm外平高強鉆桿；選用清水為循環介質，BW-320型泥漿泵提供的高壓水來進行巖粉的排除；采用 ATTCQ-1型單點式磁球定向測斜儀測量鉆孔傾角及方位角。

采用普通回轉全面鉆進法和多次成孔工藝進行鉆孔施工作業，這樣容易使鉆孔沿預設軌跡進行延伸，在成孔之后，換用大一級的擴孔鉆頭進行擴孔。兩個月的時間內在215綜放工作面的1號鉆場和2號鉆場共計施工完成9個鉆孔。

圖1 管道走向高位鉆孔布置圖及參數表

3 走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯效果及分析

3.1 1號鉆場走向高位鉆孔瓦斯抽放濃度

215綜放工作面從2015年10月開始回采，于2016年2月底工作面推過高位鉆孔。圖2為1號鉆場1號～4號高位鉆孔瓦斯抽放濃度與工作面推進距離關系曲線。

圖2 1號高位鉆場鉆孔瓦斯抽放濃度變化曲線

（1）當工作面推過鉆孔25m左右時，1號鉆孔與2號鉆孔抽放瓦斯濃度開始上升，推過50m處濃度分別達到最大值35%和23%，然后抽放瓦斯濃度逐漸下降，在工作面推過鉆孔終孔點100m處分別降至1.5%和2%，隨著工作面的繼續推進，濃度基本保持不變，推過250m后又略微有所回升。

1號鉆場走向高位鉆孔控制區煤層厚度為5.3～7.0m，按最大厚度7.0m考慮，利用213、214綜放工作面所測冒落帶高度為4～4.76倍采高計算，1號鉆場走向高位鉆孔控制區的采空區冒落帶高度約為28～33.3m。由此可知，從終孔層位來看，當老頂第一次垮落前，隨著采空區面積的擴大，尚未垮落的上覆巖層會產生彎曲離層裂隙，巖層中的游離瓦斯會通過離層裂隙進入抽放鉆孔。與此相對應，1號鉆孔與2號鉆孔可以抽到瓦斯，抽放瓦斯濃度會逐漸上升。當工作面老頂初次垮落后，1號、2號鉆孔會隨著采空區冒落帶的產生而切孔，抽放瓦斯濃度會急劇下降。隨著采空區丟煤量的繼續增加，采空區的瓦斯濃度會在一定程度上增加，鉆孔抽出的瓦斯濃度也會有所上升，但上升的幅度不會很大。

（2）由于回風順槽側有40m左右的巷間保護煤柱，使得靠近回風順槽采空區一側的頂板不能及時垮塌而形成冒落帶。因此，離回風順槽水平距離只有33m和10m的3號、4號鉆孔在工作面采過100m仍不能有效卸壓，所以它們抽出的瓦斯濃度很低。3號、4號鉆孔抽放瓦斯濃度在工作面推過鉆孔終孔點100m左右才開始緩慢增加，采過130～140m后，瓦斯濃度急劇增加并多次出現濃度波動，但濃度始終保持在較高的水平。采過200m后，抽出瓦斯濃度逐步下降。

工作面采過鉆孔終孔點100m后，由于采空區面積的不斷擴大和采空區中部冒落帶面積擴張，轉移到回風順槽的礦山壓力不斷增加，當礦山壓力接近或達到煤柱的極限支撐強度時，煤柱在流變和壓裂過程中會產生大量的裂隙，所以3號、4號鉆孔抽出的瓦斯濃度急劇增加。

工作面采過鉆孔終孔點220m后，采場礦山壓力超過回風順槽側保護煤柱的極限支撐強度時，回風順槽靠采空區一側的上覆巖層失穩破壞而冒落，3號、4號鉆孔隨之切孔，抽出瓦斯濃度急劇降低，最終與采空區瓦斯濃度保持動態平衡。但由于此時的采空區內積存的瓦斯已達到較高的濃度，因此3號、4號鉆孔抽出的瓦斯濃度仍然比同期1號、2號鉆孔抽出瓦斯濃度高一些。

（3）從3號、4號鉆孔的瓦斯濃度變化可以推斷215綜放工作面老頂初次來壓距離約為50m左右，與實際礦壓觀測結果相吻合。

（4）1號～4號鉆孔的瓦斯濃度變化規律間接地說明215綜放工作面1號鉆場高位鉆孔控制區內采空區冒落帶高度至少在28m以上。

3.2 2號鉆場走向高位鉆孔瓦斯抽放濃度

從圖3可知，215綜放工作面推過2號鉆場高位鉆孔終孔點21m后，開始抽出瓦斯，但瓦斯濃度不到3%，直到采過終孔點54m，瓦斯濃度仍沒有超過4%。由于抽出瓦斯濃度過低，為保證礦井瓦斯利用濃度的需要，一度暫停高位鉆孔瓦斯抽放。當工作面推過鉆孔終孔點99m后，又恢復對高位鉆孔瓦斯抽放，剛恢復時，瓦斯濃度達到15.27%，但迅速下降到3.87%，之后，瓦斯濃度一直在2%左右徘徊。

圖3 2號高位鉆場鉆孔瓦斯抽放濃度變化曲線（綜合）

3.3 走向高位鉆孔瓦斯量

對215綜放工作面的走向高位鉆孔實測瓦斯抽放量進行統計，結果如表1所示。從統計數據可以看出，該工作面鉆場走向高位鉆孔瓦斯濃度和抽放量都不高。總體來看，在215綜放工作面所進行的2個鉆場的走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯試驗效果不理想。

3.4 走向高位鉆孔瓦斯抽放效果欠佳原因分析

（1）終孔層位偏低導致1號鉆場抽放效果不佳。1號鉆場鉆孔終孔距離煤層頂板28m，處于采空區冒落帶中，瓦斯抽放實測數據具有混合抽放量大、抽出瓦斯濃度低、有效抽放距離短的特征。

（2）放煤不充分導致2號鉆場抽放效果不佳。

① 可以排除走向高位鉆孔抽放管路漏氣或封孔不嚴的因素。2016年9月6日，在工作面距離高位鉆場只剩100m時，有意識地關閉和2號鉆場走向高位鉆孔并聯抽放采空區的穿層鉆孔瓦斯抽放管道。此時，抽放負壓為3.1kPa，但抽放系統瓦斯抽放純量迅速由原來的5.95m3/min下降到0.11～0.23m3/min，瓦斯濃度也只有1.5%左右，說明走向高位鉆孔不存在抽放管路漏氣或封孔不嚴的問題。

表1 走向高位鉆孔瓦斯抽放統計表

② 215綜放工作面煤層厚度自東向西逐漸增厚，在鉆孔控制區范圍已達8～11m（圖4），按照213、214綜放工作面實測冒落帶高度與采出煤厚的倍數關系、215綜放工作面煤層厚度和理論回采率80%計算，試驗考察區內冒落帶高度應該在28.8～42m之間。2號鉆場各鉆孔開孔位置距煤層頂板30m，設計1號～5號高位走向鉆孔終孔分別在煤層上方35m、40m、45m、88m和88m的巖層中，實施抽放時鉆孔的瓦斯流量和瓦斯濃度未增大。

③ 放煤不充分和工作面回收率低是導致2號鉆場走向高位鉆孔抽放效果差的根源。該工作面于2016年6月進入2號鉆場走向高位鉆孔控制區，煤厚逐漸加大，頂煤回收率和工作面回采率降低；同時因為在回風順槽20m的煤層上部布置了高位排瓦斯巷，導致高位鉆孔不能卸壓進入裂隙帶。

圖4 2號鉆場控制區域煤厚變化曲線

4 走向高位鉆孔應用前景

針對沁和能源集團永安煤礦215綜放工作面進行了走向高位鉆孔抽放采空區瓦斯的試驗研究。從本次高位鉆孔抽放試驗情況看，要提高高位鉆孔抽放采空區瓦斯效果，應把握好鉆孔設計與巷道布置、煤厚變化以及工作面回采率的關系，尤其是準確把握采空區冒落帶高度與鉆孔孔位的關系，走向高位鉆孔抽放瓦斯可以成為一種更加有效的采空區瓦斯抽采方式。