近距離下伏煤層定向長鉆孔瓦斯抽采技術應用

（西山煤電（集團）有限責任公司通風處，山西 太原 030025）

長期以來，煤層群開采期間瓦斯異常涌出問題一直是重點攻關的難題。國內外專家學者從不同方向對該課題進行了大量的研究與試驗。大體分為保護層開采，地面井抽采煤層群瓦斯，強化卸壓抽采煤層瓦斯等技術。近些年，袁亮[1]提出了在留巷內布置上下向高低位抽采鉆孔直達卸壓瓦斯富集區域，通過連續高效抽采上下被卸壓層的瓦斯，實現了煤礦井下直接抽采卸壓瓦斯的重大突破。盧平等[2]針對低透氣性高瓦斯煤層群首采卸壓層瓦斯涌出量大問題，研究發現采空區側存在“豎向裂隙發育區”，煤層的透氣性顯著增加。對該區域精準強化抽采，取得了很好的抽采效果。針對于下伏煤層瓦斯治理問題，趙祉友等[3]研究提出了采用斜直井鉆機地面施工L型井方式抽采經采動卸壓的下伏煤層瓦斯。王海鋒[4]分析了下被保護層的瓦斯流動及匯集特征，下被保護層卸壓瓦斯抽采采取以底板巖巷網格式上向穿層鉆孔的抽采方式，有效降低了下被保護層的瓦斯含量，徹底消除了突出煤層的危險性，實現了突出煤層的安全高效開采。

筆者以馬蘭礦煤層群開采為背景，對開采層下伏煤層（層間距10 m以內，煤厚1.5 m以上）的瓦斯治理，采用先沿下伏煤層布置巷道（以下稱簡稱底抽巷），然后利用底抽巷沿下伏煤層施工順層鉆孔進行采前預抽和采動卸壓攔截抽采。此種措施雖然成熟可靠，但施工底抽巷帶來的生產接續壓力、不能復用的底抽巷所產生的煤柱損失，包括隨著采掘延深、瓦斯含量增加與壓力增大，底抽巷瓦斯治理工作量越來越大，造成底抽巷治理下伏煤層瓦斯的優勢逐步消失。為此，馬蘭礦根據18506工作面特殊條件，試驗施工定向鉆孔治理下伏煤層瓦斯。

1 施工地點概況

馬蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，18506工作面位于南五下組煤采區左翼，北側18504工作面已回采結束，南側為實體煤。工作面采用“U”型通風布局，膠帶巷進風、輔運巷回風，同時布置有高抽巷、底抽巷（沿9#煤層施工，內錯18506工作面，先服務18504工作面），見圖1。工作面設計走向長1308m，采長261m，所采8#煤厚4.43 m。8#煤層下距9#煤層間距為4.2～11.34m，平均7.86 m。9#煤層厚1.67～2.11m，平均1.82 m。兩煤層均為煤與瓦斯突出煤層。煤層綜合柱狀見圖2。

據實測數據，18506工作面8#煤層原始瓦斯含量為5.8～6.5m3/t，原始瓦斯壓力為0.43MPa；9#煤層原始瓦斯含量5.5～6.0m3/t，原始瓦斯壓力1.08MPa。

圖1 18506工作面巷道布置

圖2 18506工作面煤層綜合柱狀

為治理18506工作面下伏9#煤層瓦斯涌出，在18506底抽巷沿9#煤層施工了對應區域的順層鉆孔，根據礦井抽采半徑測定結果，鉆孔間距確定為5m，孔深覆蓋工作面傾向，為230 m。工作面回采里程480～655 m段、原設計孔號132#～167#范圍，鉆孔由垂直巷幫布置改為鉆場扇形布置，孔深為165～285 m 不等，布置見圖3。

由于18506底抽巷里段巷道變形，人員不便進入其中現場調控、管理已施工的順層抽采鉆孔，馬蘭礦于底抽巷里程491m處施工2個定向鉆孔強化工作面里段9#煤層瓦斯的卸壓抽采。鉆孔位于8#、9#煤層之間的巖層中，沿9#煤層頂板上部1m處的粉砂巖中布置，孔徑120 mm。1#孔布置1個分支、2#孔布置3個分支，各分支間距12～27m，鉆孔最大控制長度830m，總工程量3425m，見圖4。

圖4 18506底抽巷定向鉆孔成孔軌跡

2 抽采數據統計

根據抽采記錄，18506底抽巷定向鉆孔于2018年6月1日開始觀測單孔抽采數據（見表1）。2018年6月1日開始，定向鉆孔與底抽巷其他順層鉆孔共用一趟管路，單孔具備計量條件；9月12日定向鉆孔與底抽巷鉆場內扇形孔使用一趟抽采管路進行抽采；9月26日，定向鉆孔單獨使用一趟抽采管路進行抽采。

表1 18506底抽巷定向鉆孔抽采計量數據統計

時間（2018年）孔號抽采負壓/kPa抽采參數工作面里程/m 節流/kPa抽采濃度/%抽采純量/(m3/min)最長鉆孔距切眼距離/m 1 10.86 0.00 48 0.00-134.6 8.21 1115 2 10.42 0.05 25 0.26-170.5 1 10.20 0.00 54 0.00-146.6 9.01 1103 2 9.56 0.05 20 0.21-182.5 9.11 1 9.25 0.00 48 0.00 1079-170.6 2 9.56 0.03 22 0.18-206.5 9.21 1 8.76 0.00 55 0.00 1059-190.6 2 8.42 0.05 19 0.57-226.5 10.01 1 12.92 0.00 64 0.00 1025-224.6 2 12.24 0.05 30 0.86-260.5 10.11 1 13.60 0.00 76 0.00 1002-247.6 2 13.33 0.07 31 1.03-283.5 10.21 1 14.96 0.00 66 0.00 976-273.6 2 14.28 0.08 42 1.48-309.5 11.01 1 14.93 0.00 56 0.00 944-305.6 2 13.16 0.08 36 1.29-341.5 11.11 1 14.96 0.00 60 0.00 905-344.6 2 13.06 0.06 44 1.36-380.5 11.21 1 7.48 0.00 60 0.00 877-372.6 2 7.07 0.04 49 1.33-408.5 12.01 1 18.09 0.00 52 0.00 852-397.6 2 17.00 0.08 29 0.99-433.5 1 14.96 0.00 64 0.00-420.6 12.11 829 2 13.06 0.08 31 1.11-456.5 12.21 1 14.96 0.00 59 0.00 785-464.6 2 13.60 0.08 31 1.10-500.5 1 14.93 0.00 57 0.00-489.6 2019.1.1 751 2 13.60 0.08 33 1.17-534.5 2019.1.8 1 13.19 0.00 61 0.00 719-530.6 2 12.38 0.06 40 1.16-566.5

根據抽采統計數據、工作面開采情況（2018年5月開始回采），1#、2#定向鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度與工作面推進度的關系，見圖5、圖6。

圖5 1#、2#孔瓦斯抽采量與工作面推進度的關系

圖6 1#、2#孔瓦斯抽濃度與工作面推進度的關系

從表1及圖5、圖6可知，1#孔瓦斯濃度在32%～80%之間，但抽采節流始終為0，判斷為孔內積水或跨孔封堵；2#孔抽采量隨工作面推進度、進入已采范圍鉆孔分支數量增加而穩步上升。根據抽采統計數據、鉆孔布置及工作面推進度，2#孔主孔及各分支進入采動影響范圍后，2#孔抽采量變化見圖7（2-3#分支進入采動影響范圍后2#孔抽采量無明顯變化）。按抽采時間、抽采累積量反算，2#孔每一分支（主孔）平均抽采量為0.3974m3/min。

圖7 2#孔抽采量與主孔、各分支進入采動影響范圍的關系

3 采動影響下瓦斯抽采鉆孔布置方式的替代分析

以18506工作面采前下伏9#煤層殘余瓦斯含量5.23m3/t為基準，按照2018年10月份抽采穩定后，底抽巷普通鉆機傾向順層鉆孔抽采量為3.78m3/min、沿走向定向長鉆孔抽采瓦斯為1.22m3/min，工作面配風量為2280m3/min，生產時回風瓦斯濃度0.6%考慮（其他條件不變）。若不采用底抽巷普通鉆機傾向順層鉆孔抽采，全部改用沿走向布置的定向長鉆孔替代，對其瓦斯抽采效果進行考察。

根據考察確定的每個定向鉆孔分支或主孔0.3974m3/min的卸壓抽采量、鉆孔分支間距25 m（透氣性較好時抽采經驗），工作面沿走向均勻布置主孔及分支共8個進行全覆蓋（沿走向長度500 m），并且均出氣時，經計算預計卸壓抽采量為3.18m3/min。相比10月份抽采穩定后底抽巷內傾向、走向鉆孔抽采量5m3/min，理論上有1.82m3/min的卸壓瓦斯涌向8#煤層作業空間。按風量2280m3/min 計算，將導致回風流瓦斯濃度上升至0.079%，即此時工作面回風瓦斯濃度不超過0.8%，仍在安全范圍內。若將定向鉆孔布置密度進一步加大，瓦斯濃度控制更有把握。

另一方面，工作面沿走向布置8個500 m長鉆孔或分支，鉆孔工程量約4000m，而沿傾向布置的順層鉆孔按5 m間距、220 m孔深布置，近22000 m鉆孔工程量。相比較而言沿走向布置的鉆孔工程量更小。

總之，以18506工作面采前下伏9#煤層殘余瓦斯含量為基礎，9#煤層瓦斯治理全部改用沿走向布置的定向長鉆孔替代，理論上具備可行性。

4 結語

1）結合馬蘭礦18506工作面沿走向定向長鉆孔抽采9#煤層卸壓瓦斯的工程應用，初步論證了沿走向定向長鉆孔代替底抽巷抽采下伏煤層瓦斯的可行性。推算結果表明，卸壓抽采量為3.18m3/min，回風流瓦斯濃度上升值為0.079%，在安全范圍內。應增加定向鉆孔數量，使回風流瓦斯濃度處于安全可控的范圍內。

2）雖然現場積累的數據量偏少，部分數據處理簡單、甚至理想化，可能導致實際情況與結論存在出入，但不影響該項工程實踐所揭示的定向長鉆孔代替底抽巷的方向。

3）結合1#鉆孔內積水或跨孔封堵，需進一步研究下行定向長鉆孔排水、排渣問題，以改善預抽效果。

4）引入定向長鉆孔護孔工藝強化卸壓抽采效果，推動“以孔代巷”治理瓦斯方式的廣泛應用，助力煤礦“減、優、綠”發展。