頂板高位鉆孔抽放瓦斯參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

王雪瑞

（山西潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032）

漳村煤礦委托煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院于2015 年對(duì)該礦3#煤層2306 回采工作面的瓦斯涌出進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)得出采空區(qū)瓦斯涌出量占比49.3%的結(jié)論。鑒于采空區(qū)瓦斯涌出占比較高，分析認(rèn)為該工作面不能進(jìn)行簡(jiǎn)單的風(fēng)排方式解決瓦斯涌出問(wèn)題，而是必須采用鉆孔抽放瓦斯，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯涌出的控制。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件，研究制定了頂板高位鉆孔抽放裂隙帶瓦斯的工作方案，對(duì)瓦斯進(jìn)行抽放，保障2306 工作面安全生產(chǎn)。

1 2306 鉆孔布置及優(yōu)化基礎(chǔ)參數(shù)的確定

2306 工作面位于23 采區(qū)的南部，工作面走向長(zhǎng)度172.5m，傾向長(zhǎng)度1503m，停采線距23 皮帶巷中70m，可采長(zhǎng)度 1433m，煤層平均厚度為6.24m，平均單軸抗壓強(qiáng)度為9.6MPa。煤層之上為灰黑色泥巖，厚度4.2m，單向抗壓強(qiáng)度為13.71MPa；之上為砂質(zhì)泥巖，厚度6.39m。 采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁后退式低位放頂煤一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，頂板管理為全部垮落法。

為考察高位鉆孔的最優(yōu)參數(shù)，在工作面布置不同參數(shù)鉆孔三組，每組8 個(gè)鉆孔，鉆孔呈扇形分布。鉆孔終孔位置水平投影距工作面風(fēng)巷距離最遠(yuǎn)為70m，三組鉆孔分別為6 倍、8 倍、10 倍采高。

高位鉆孔瓦斯抽采過(guò)程劃分為始抽段、高濃度段和衰減段三個(gè)階段。通過(guò)分析瓦斯抽采歷程中始抽階段、高體積分?jǐn)?shù)階段和衰減階段的參數(shù)變化曲線及趨勢(shì)，確定橫三區(qū)、豎三帶中冒落帶、裂隙帶的高度以及離層區(qū)的寬度，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)高位抽采鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化。

通過(guò)對(duì)第一組高位鉆孔法距與抽采瓦斯?jié)舛茸兓€圖（圖1、圖2）進(jìn)行分析，得出：（1）高位鉆孔高度與煤層垂直法距在22～24m 時(shí)，鉆孔的瓦斯抽采濃度最大，此時(shí)瓦斯抽采濃度為15%左右；（2）鉆孔高度在17～27m 之間時(shí)，鉆孔的瓦斯抽采濃度均＞5%，單孔抽采純流量均＞0.13m3/min，抽采效果較為理想。

圖1 第一組高位鉆孔法距與抽采瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖2 第一組高位鉆孔高度與煤層垂直法距與抽采量變化曲線圖

通過(guò)記錄鉆孔抽采過(guò)程中的瓦斯抽采濃度和抽采純流量變化情況，確定了不同鉆孔位置對(duì)應(yīng)的“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)，如表1 所示。從表1 可以看出，冒落帶高度為12～16m、裂隙帶高度為12～32m 時(shí)，離層區(qū)寬度為2～58m。這些數(shù)據(jù)為高位鉆孔布置參數(shù)的優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 高位鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化

在確定冒落帶、裂隙帶的高度以及離層區(qū)的寬度時(shí)，是建立在采空區(qū)上覆圍巖在工作面放煤后立即垮落的基礎(chǔ)上的，鉆孔進(jìn)入采空區(qū)部分全部垮塌，即以工作面上方鉆孔為實(shí)際抽采過(guò)程中鉆孔的終孔點(diǎn)。通過(guò)考察鉆孔抽采過(guò)程中瓦斯?jié)舛群统椴杉兞侩S距煤層頂板法距和鉆孔水平投影距回風(fēng)巷順槽平距的變化曲線來(lái)確定“兩帶”高度和離層區(qū)寬度，并依據(jù)工作面實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，裂隙帶是滯后于工作面的，該滯后距離與工作面回采推進(jìn)速度的快慢有著密切的關(guān)系。工作面回采推進(jìn)速度快則滯后距離較長(zhǎng)，工作面回采推進(jìn)速度慢則滯后距離較短，需要結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際綜合考慮裂隙帶滯后回采工作面距離。因此，鉆孔參數(shù)設(shè)置優(yōu)化為：在回風(fēng)巷內(nèi)頂板向采空區(qū)冒落拱上方裂隙帶內(nèi)布置8 個(gè)扇形高位鉆孔，孔間距為30m。根據(jù)鉆孔角度和長(zhǎng)度折算鉆孔終孔點(diǎn)距回風(fēng)順槽的最遠(yuǎn)距離約為60m，鉆孔終孔點(diǎn)與煤層頂板上部頂板的距離約為45m。

優(yōu)化后高位鉆孔布置參數(shù)如表2 和圖3 所示。

表1 各鉆孔對(duì)應(yīng)“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)

表2 優(yōu)化后高位鉆孔參數(shù)

圖3 高位鉆孔布置示意圖布置平面圖

3 優(yōu)化后抽放效果分析

（1）鉆孔有效抽放長(zhǎng)度提高。該礦原鉆孔有效抽放長(zhǎng)度為鉆孔的24.12%，改為高位鉆孔布置后，鉆孔有效抽采長(zhǎng)度提高到68.4%，有效抽放長(zhǎng)度明顯增加。

（2）抽放瓦斯量增加。高位鉆孔布置方案優(yōu)化后，抽采瓦斯總量增加3～7 倍，增加的鉆孔量?jī)H為原有鉆孔的0.73 倍，效益顯著。

（3）高位鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化能夠在投入增加不多的前提下，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯涌出量的大幅度降低，能夠有效地降低工作面瓦斯超限的危險(xiǎn)，為工作面的安全開(kāi)采提供了保障，工作面的正常回采可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 高位鉆孔布置需要注意的問(wèn)題

通過(guò)試驗(yàn)表明，利用高位鉆孔抽采瓦斯過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)化后的鉆孔參數(shù)是按照煤層傾角2.4° 計(jì)算得出的，建議在今后的施工過(guò)程中，根據(jù)煤層賦存變化的實(shí)際，按照本文所提出的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行高位鉆孔布置參數(shù)設(shè)計(jì)。

（2）鉆孔成孔后立即埋設(shè)聚乙烯管并封孔，使用水泥封孔工藝，保證封孔質(zhì)量，確保鉆孔不漏氣。

（3）根據(jù)工作面回采進(jìn)度，適時(shí)并網(wǎng)抽采高位裂隙帶鉆孔瓦斯，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)對(duì)裂隙帶高位鉆孔的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳抽采效果。

5 結(jié)論

漳村煤礦回采工作面瓦斯涌出量大，原設(shè)計(jì)高位鉆孔抽采瓦斯效果不理想，為此需要對(duì)原高位鉆孔布置方案進(jìn)行研究，分析瓦斯抽采的最優(yōu)匯集區(qū)域，并在2306 工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)了三組不同布置參數(shù)的考察鉆孔進(jìn)行抽采試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

（1） 根據(jù)2306 工作面的開(kāi)采技術(shù)條件，設(shè)計(jì)出了三組不同布置參數(shù)的高位鉆孔，根據(jù)鉆孔抽采期間瓦斯?jié)舛群统椴闪髁康淖兓_定出了不同鉆孔位置的“豎三帶”的裂隙帶和“橫三區(qū)”的離層區(qū)：裂隙帶高度為距煤層底板8～31m，離層區(qū)距回風(fēng)巷的寬度2～58m。

（2）通過(guò)對(duì)不同高位鉆孔的抽采考察，對(duì)高位裂隙帶鉆孔施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：在回風(fēng)順槽布置的鉆場(chǎng)內(nèi)，向采空區(qū)冒落拱上方的裂隙帶內(nèi)布置8 個(gè)高位裂隙帶鉆孔，鉆孔扇形布置，鉆孔孔底距回風(fēng)巷內(nèi)幫的最遠(yuǎn)距離約為60m，鉆孔孔底與煤層頂板距離約為45m。

（3）對(duì)同一個(gè)工作面而言，高位鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化后，在僅增加73%的鉆孔工程量的情況下，抽采瓦斯總量就能夠增加3～7 倍，將更有效地降低工作面的風(fēng)排瓦斯涌出量。

（4）漳村煤礦頂板高位鉆孔抽放在瓦斯治理中的參數(shù)優(yōu)化和應(yīng)用，取得了明顯經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效果。