大直徑L 型鉆孔瓦斯抽放技術實踐

王家有

（山西省大同市同煤集團云岡礦，山西 大同 037017）

煤礦井下特厚煤層的開采過程中，采煤工作面會在極短時間內釋放大量的瓦斯，同時當采空區頂板來壓垮落時，采空區中積聚的高濃度瓦斯就被擠壓出來，滲到掘進工作面，造成瓦斯超限現象。在煤礦開采過程中，嘗試采取了頂板高抽巷、走向鉆孔、大直徑鉆孔抽采、高位仰角鉆孔瓦斯抽放技術等措施來解決瓦斯超限問題，但是在實踐作業當中，工作面還是會出現瓦斯超限問題。針對這一情況，在對同煤集團云岡礦8#煤層地質情況分析的基礎上，設計了一種新型的大直徑L 型鉆孔抽采瓦斯治理方案，并投入到實踐應用當中，瓦斯超限治理效果較為理想。

1 工作面概況

同煤集團云岡礦位于大同煤田的東北部，井田面積為59 km2，礦井核定生產能力480 萬t/a，采用立井、斜井混合式分區開拓系統。云岡礦8401工作面位于南山住宅區東部、十里河南部，工作面回采長度為1820 m。8401 工作面煤層厚度為4.44～19. 88 m，平均煤層厚度10.84 m。該工作面煤層傾角為 2～5°，平均傾角為3°。工作面煤層平均瓦斯含量2.64 m3/t，孔隙率為2.95%～3.6%，透氣性系數為3.574 5～7.427 6 m2/（MPa2·d）。頂抽巷布置在距8#煤層頂板 18～20m 的砂質泥巖中，即布置在裂隙帶內。特厚煤層的高強度開采帶來的強礦壓會導致工作面上隅角瓦斯涌出量瞬時達50 m3/min，上隅角瓦斯超限存在嚴重的安全隱患。采用小直徑井下頂板走向長鉆孔，終孔位置無法有效控制，同時抽放量無法滿足要求。針對云岡礦8401工作面透氣性差、瓦斯含量小的特點，針對性設計了大直徑L 型鉆孔瓦斯抽采方法，該瓦斯抽采方法抽放能力滿足要求，可以有效治理8401 工作面上隅角瓦斯超限問題。

2 大直徑L 型鉆孔設計方案

2.1 鉆孔層位的模擬確定

根據云岡礦8401 工作面條件，利用三維離散元數值分析軟件3DEC，建立鉆孔數值模擬模型，模型長度×寬度×高度=200 m×120 m×100 m，頂部邊界荷載9.98 MPa。8401 工作面不同回采距離上部覆巖垮落特征情況如圖1 所示。

圖1 不同推進距離下覆巖垮落示意圖

從圖1 數據可知，當工作面推進至38 m 時，直接頂垮落，并伴隨離層與變形；當推進至74 m 時，直接頂已經完全破斷，老頂斷裂前呈“懸臂梁”結構；當推進至83 m 時，直接頂已經全部垮落，基本頂結構斷裂；當推進至92 m 時，第一次周期來壓，步距9 m；當推進至118 m 時，基本頂垮落形成“壓力拱”結構，垮落帶高度35 m，裂隙帶高度60 m。結合云岡礦以往的生產經驗分析可知，煤層頂板以上60 m 區域為頂板裂隙帶與彎曲下沉帶的分界線，針對這一情況，大直徑L 型鉆孔位置布置于煤層頂板以上50～60 m，距幫26～30 m。

2.2 大直徑L 型鉆孔軌跡設計

根據云岡礦生產接替安排及瓦斯涌出情況，為有效提高大直徑L 型鉆孔施工的效率，根據鉆孔孔點相關標準，在8401 工作面的相鄰工作面8402 工作面相應區域確定鉆孔施工地點進行開孔，向下施工一段孔深為118 m 的直井。造斜施工一弧形孔，落點至工作面煤層頂板上，距煤層約5 倍采高，平面位置內錯8401 面回風巷30 m 左右。該大直徑L型鉆孔三維圖如圖2 所示，井身結構圖如圖3 所示。

圖2 大直徑L 型鉆孔三維圖

圖3 井身結構示意圖

2.3 大直徑L 型鉆孔施工方法和步驟

（1）采用JX-3DA 型高精度測斜儀測量巷道頂角、方位、深度等參數，從而實現L 型鉆孔參數的調整；（2）選用Baker Hughes LWD 無線隨鉆測井系統，該系統具有先進的地質導向功能，可控制鉆孔軌跡，同時加裝鉆孔施工扶正器；（3）采用升降機提吊、吊卡夾持進行下套管；（4）對套管采用G 級水泥固井；（5）固井結束后，要進行水泥侯凝試壓試驗和孔深耐壓試驗，檢測合格方可繼續進行施工作業。

3 L 型鉆孔抽采效果分析

云岡礦8401 工作面大直徑L 型鉆孔瓦斯抽放工程施工結束后，整個鉆孔施工作業全長866.5 m。在工作面推進至630 m 時，開啟2BEY-42 型液環式真空泵進行抽放試驗。如8401 工作面大直徑L 型鉆孔抽采瓦斯濃度和混合量曲線圖所示（圖4），從5 月2 日至5 月30 日，檢測到頂抽巷瓦斯濃度為3.5%～4.5%，5 月30 日至7 月9 日，檢測到頂抽巷瓦斯濃度為1.5%～2%。截至7 月9 日，該鉆井共抽采瓦斯28.27 萬m3。

圖4 大直徑L 型鉆孔抽采治理后頂抽巷瓦斯濃度曲線圖

從圖5 數據可知，8401 工作面采用大直徑L 型鉆孔抽采治理后，8401 工作面上隅角和回風巷處瓦斯濃度為0.05%～0.2%，治理后的瓦斯濃度大幅度降低。

圖5 大直徑L 型鉆孔抽采后上隅角和抽采巷瓦斯濃度

以上分析可知，云岡礦8401 工作面設計采用大直徑L 型鉆孔抽采技術來治理巷道頂板上部瓦斯的技術方案是合理有效的，抽放效果理想。

4 結論

以云岡礦8401 工作面為研究對象，進行了大直徑L 型鉆孔瓦斯抽采技術的實踐應用。監測結果表明，抽采后瓦斯濃度穩定在0.05%～0.2%之間，有效解決了8401 工作面瓦斯瞬間超限問題，保障了8401 工作面的安全開采。大直徑L 型鉆孔瓦斯抽采技術能持續有效的在工作面上隅角后上方形成負壓區，抽采效率大幅度增長，能有效地治理工作面上隅角瓦斯超限問題。