綜放工作面高位瓦斯抽采鉆孔布置參數優化

李河清 史 建 侯建龍

（晉能控股煤業集團 趙莊二號井，山西 長治 046600）

煤礦瓦斯[1-2]是制約煤礦安全生產的重要因素之一，采空區上方瓦斯含量約占采煤工作面瓦斯含量的40%左右，對工作面安全生產影響巨大。

1 工程概況

趙莊二號井2307工作面開采3#煤層，煤層平均厚4.35 m，平均埋深450 m，傾角平均3°。工作面采用綜合機械化放頂煤開采，走向長1 154.8 m，傾斜長175.7 m。工作面北側為2309工作面采空區，西側為2103、2104集中巷，南側為實體煤，東側為2301、2303工作面采空區。工作面布置圖見圖1所示。工作面回采范圍內無大型斷層、陷落柱等地質構造影響。該工作面采用一進一回的U型通風方式，工作面煤層瓦斯含量4.6～4.8 m3/t，瓦斯壓力0.24～0.3 MPa，無煤與瓦斯突出危險性。2307工作面絕對瓦斯涌出量為4.63 m3/min，相對瓦斯涌出量2.32 m3/t。在工作面回風巷布置瓦斯抽放鉆場，采用高位鉆孔[3-4]治理采空區瓦斯。

圖1 工作面布置圖

2 原高位鉆孔布置參數及存在問題

2307工作面開采前期，瓦斯抽采效果不佳，工作面隅角瓦斯濃度較高，需采取限產措施，因此對工作面通過5#鉆場覆蓋區域時的瓦斯抽采效果進行分析。

2.1 鉆孔參數

5#鉆場內布置10個高位鉆孔，鉆孔在垂直和水平方向均呈現扇形布置，鉆孔深度在120～130 m之間，傾角7°～11°。鉆孔終孔位置在距煤層頂板15.8～22.9 m之間，距回風巷的水平距離5～48.7 m。具體參數見表1，鉆孔布置見圖2。

表1 5#鉆場抽放鉆孔參數表

圖2 5#鉆場抽放鉆孔剖面示意圖

2.2 存在問題分析

工作面回采經過5#鉆孔覆蓋區域時， 5#鉆場瓦斯抽放濃度較低，平均抽放流量和平均瓦斯純量則僅有0.079 m3/min和 0.006 m3/min（見表1），采空區抽放效果不理想。原因如下：

（1）由于瓦斯氣體密度較空氣小，其會順著采空區上部裂隙向上流動，而5#鉆場抽放鉆孔終孔位置在煤層上方15.8～22.9 m，約3.6～5.3倍煤厚，距離工作面冒落帶較近，鉆孔位于工作面裂隙帶[5-6]中下部，對上部裂隙中的瓦斯抽采效果較差；同時由于5#鉆場部分鉆孔距回風巷距離超過40 m，處于采空區中部壓實區內，裂隙在垂直方向上導通性差，不易于采空區瓦斯抽出。

（2）工作面回采過后，煤層上覆頂板隨之冒落，抽放鉆孔距離頂板較近，則極易造成部分抽放鉆孔因坍塌而堵孔，使得鉆孔塌孔失效，導致鉆孔抽放效率低，工作面采空區瓦斯治理效果差。5#鉆孔抽采數據見表2。

表2 5#鉆場抽采數據表

3 高位鉆孔參數優化

由于瓦斯氣體在自重作用下向上部裂隙空間流動，故高位瓦斯抽放鉆孔在裂隙帶中上部的有效抽采長度越長，其抽采效果越好。根據“O”形圈理論，工作面采空區中部存在采動壓實區，兩側端頭存在垂直裂隙，可形成上下流動通道，對瓦斯抽采有利。因此，采用高位鉆孔治理工作面采空區瓦斯，不僅需考慮鉆孔在垂直方向的布置層位，同時需考慮傾向分布范圍，方可實現采空區瓦斯高效抽采。

根據以往工作面三帶觀測，冒落帶位于煤層頂板上方10.8 m，裂隙帶位于煤層頂板上方10.8～30 m。結合5號鉆場瓦斯抽采情況可知，鉆孔終孔位置位于裂隙帶中下部，且工作面傾斜長175.7 m，部分鉆孔靠近工作面中部，不利于瓦斯抽采，故優化高位鉆孔終孔位置。在垂直方向上，應布置在工作面裂隙帶的中上部，即在煤層頂板上方23～32 m之間；在煤層傾向上，鉆孔終孔位置距回風巷水平距離在8～35 m之間。由此對6#鉆場的高位鉆孔布置參數進行優化，以試驗抽采效果。鉆孔參數見表3，鉆孔布置見圖3。

表3 6#鉆場抽放鉆孔參數表

圖3 6#鉆場抽放鉆孔剖面示意圖

4 抽采效果分析

（1）鉆孔抽放參數

優化后高位鉆孔抽放參數見表4。由表可知，6#鉆場高位鉆孔的平均抽放流量為1.187 m3/min，平均抽放純瓦斯量為0.164 m3/min，其明顯高于表2中5#鉆場的平均抽放流量和平均抽放純量，而且抽放瓦斯濃度相比5#鉆場也有大幅提升。

表4 6#鉆場高位鉆孔抽采參數表

（2）上隅角瓦斯濃度

2307工作面回采通過5#和6#鉆場高位鉆孔覆蓋區域時，對工作面上隅角瓦斯濃度進行了持續觀測。根據觀測數據可知：在5#鉆場覆蓋區域，工作面隅角瓦斯濃度在0.35%～0.48%之間；在6#鉆場覆蓋區域，工作面上隅角瓦斯濃度在0.25%～ 0.35%之間。對比分析可知，通過對高位鉆孔參數進行優化，工作面采空區瓦斯治理效果明顯，上隅角瓦斯涌出量減少，瓦斯濃度明顯降低。

5 結論

（1）高位鉆孔的終孔位置對抽采效果影響較大，通過分析目前高位鉆孔抽采效果，結合理論和礦壓觀測分析，綜合確定趙莊二號井高位鉆孔的終孔位置在工作面頂板上方23～32 m之間，水平方向距工作面回風巷8～35 m。

（2）通過現場試驗觀測，優化后高位鉆孔的平均抽放流量、平均抽放純瓦斯量和抽放瓦斯濃度均有大幅提高，同時工作面上隅角瓦斯濃度控制在0.3%左右，取得了良好的治理效果。