工作面高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果分析

馬 杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 047100）

回采工作面上隅角瓦斯治理對高瓦斯礦井安全生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。高抽巷[3]、高位傾斜鉆孔[4]、高位定向長鉆孔[5]、穿透鉆孔[6]等是治理工作面上隅角瓦斯的技術(shù)措施，廣大技術(shù)人員結(jié)合礦井實(shí)際，對以上技術(shù)進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，取得了一系列成果。本文結(jié)合趙莊二號井工作面情況，優(yōu)化布置工作面高位定向長鉆孔并對抽采效果進(jìn)行分析，為類似條件工作面瓦斯治理提供參考。

1 工程概況

趙莊二號井主采3 號煤層，煤厚0.35～6.61 m，平均厚度4.26 m。煤層頂板為深灰?guī)r泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色粉砂巖。趙莊二號井分東西兩個(gè)盤區(qū)，原為低瓦斯礦井，2020 年進(jìn)行瓦斯等級鑒定，礦井絕對瓦斯涌出量為14.43 m3/min，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為7.05 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.77 m3/min，集團(tuán)批復(fù)為高瓦斯礦井。2312 工作面位于井田西翼盤區(qū)，工作面寬為175 m，走向長556 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采，一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)，工作面配風(fēng)量為1100 m3/min。工作面通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。2312 工作面原始瓦斯含量為6.4 m3/t，瓦斯壓力0.26 MPa，工作面回采時(shí)瓦斯相對涌出量為3.79 m3/t，絕對瓦斯涌出量為5.88 m3/min。礦井以往采用高位傾斜鉆孔治理上隅角瓦斯，但是由于其有效抽采距離短導(dǎo)致抽采效果差，同時(shí)打鉆工程量大，施工周期長，研究決定采用頂板高位定向長鉆孔治理工作面上隅角瓦斯。

圖1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

2 高位定向鉆孔設(shè)計(jì)及施工

2.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

基于工作面覆巖“O”型圈理論，根據(jù)礦井工作面上三帶觀測結(jié)果，裂隙帶位于10.8～31.8 m。結(jié)合鄰近2314 工作面高位傾斜鉆孔（層位20～30 m）抽采情況，初步確定2312 工作面高位定向長鉆孔層位為20～32 m，水平投影距回風(fēng)巷距離為15～35 m。

2312 工作面高位定向長鉆孔布置于回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，鉆孔要覆蓋工作面走向長度，因此根據(jù)2312工作面走向長度556 m，確定高位定向長鉆孔深度為564 m。共計(jì)布置5 個(gè)高位定向長鉆孔，鉆孔之間的水平間距為5 m，垂直間距為3 m。即1#鉆孔距回風(fēng)巷水平距離為15 m，距頂板垂直距離20 m；2#鉆孔在1#鉆孔參數(shù)的基礎(chǔ)上，水平間距增加5 m為20 m，垂直距離增加3 m 為23 m；3#、4#和5#鉆孔以此類推。

2.2 鉆孔施工

高位定向長鉆孔施工受到施工地點(diǎn)、巖層性質(zhì)、圍巖結(jié)構(gòu)以及操作人員素質(zhì)等影響。五個(gè)高位定向鉆孔在施工過程中，均因巖層破碎出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，通過退鉆重新開分支進(jìn)行施工，因此，其鉆孔垂直層位和水平位置進(jìn)行了調(diào)整。由于鉆孔塌孔位置不同，鉆孔參數(shù)調(diào)整具有一定差異，最終5 個(gè)高位定向鉆孔距回風(fēng)巷水平距離在10～30 m 之間，1～5#距回風(fēng)巷距離分別為15 m、20 m、25 m、30 m 和25 m；鉆孔層位除3#鉆孔主孔距頂板為29 m 外，其余鉆孔主孔距頂板均為18 m；5 個(gè)鉆孔孔深均為564 m。高位鉆孔布置如圖2。

圖2 高位鉆孔布置平面示意圖

3 抽采效果分析

3.1 鉆孔布置參數(shù)分析

高位定向長鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，需利用工作面上覆巖層內(nèi)的水平和垂直裂隙形成采空區(qū)瓦斯運(yùn)移通道，因此，高位定向長鉆孔的垂直層位和水平距回風(fēng)巷的距離對瓦斯抽采效果影響顯著。

（1）垂直層位分析

根據(jù)高位定向鉆孔施工情況，選擇3#和5#鉆孔進(jìn)行分析，兩個(gè)鉆孔在水平方向距回風(fēng)巷距離均為25 m，終孔距離煤層頂板分別為29 m 和18 m，對比分析兩個(gè)鉆孔的瓦斯抽采純量，如圖3。由圖可見，3#孔的平均瓦斯抽采純量達(dá)到0.39 m3/min，約為5#孔平均瓦斯抽采純量0.21 m3/min 的1.9 倍，且3#鉆孔最大瓦斯抽采純量達(dá)到1.6 m3/min。3#鉆孔的瓦斯抽采純量明顯優(yōu)于5#鉆孔，說明3#鉆孔所在層位優(yōu)于5#鉆孔，是較為合理的層位。由此可見，高位定向長鉆孔層位是否合理對于瓦斯抽采效果非常重要，高位定向長鉆孔施工時(shí)，需保證其層位在25～32 m 之間。

圖3 3#和5#高位鉆孔抽采純量隨工作面推進(jìn)度變化曲線

（2）水平位置分析

共計(jì)施工5 個(gè)高位定向長鉆孔，其中1#、2#、4#和5#共計(jì)4 個(gè)鉆孔位于頂板上方18 m 層位，其水平方向距回風(fēng)巷距離分別為15 m、20 m、30 m和25 m，因此通過對比分析這四個(gè)鉆孔的瓦斯抽采純量，可以得到高位定向鉆孔在水平方向的合理距離。工作面回采過程中通過對5 個(gè)鉆孔的瓦斯抽采純量的統(tǒng)計(jì)分析可知，4#鉆孔平均瓦斯抽采純量為0.46 m3/min，該鉆孔瓦斯抽采純量最高，抽采效果最好；2#和5#鉆孔的平均瓦斯抽采純量分別為0.25 m3/min 和0.21 m3/min，瓦斯抽采效果次之；1#鉆孔平均瓦斯抽采純量為0.17 m3/min，瓦斯抽采效果最差。結(jié)合工作面開采后覆巖“橫三區(qū)”和“豎三帶”發(fā)育特征，在工作面兩側(cè)巷道往工作面中部一定距離，其巖層運(yùn)動(dòng)后水平裂隙和垂直裂隙發(fā)育，形成瓦斯向上涌出通道，利于瓦斯抽采；而1#鉆孔由于距離工作面回風(fēng)巷較近，該處頂板垮落不充分，垂直裂隙不能有效貫通，導(dǎo)致其抽采效果較差。綜合分析認(rèn)為，高位定向長鉆孔水平方向距工作面回風(fēng)巷距離應(yīng)在20 m 以上，下個(gè)工作面可試驗(yàn)水平距離35 m 和40 m 的情況，以確定其距回風(fēng)巷的合理水平距離范圍。

3.2 隅角瓦斯?jié)舛确治?/h3>

高位定向長鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯，可防止采空區(qū)瓦斯涌入工作面，導(dǎo)致工作面內(nèi)和上隅角瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，影響工作面安全生產(chǎn)。因此，監(jiān)測工作面回采過程中工作面內(nèi)和上隅角的瓦斯?jié)舛龋瑢Ψ治龈呶欢ㄏ蜷L鉆孔的抽采效果具有重要意義。工作面回采過程中，通過對工作面上隅角瓦斯?jié)舛乳L期觀測可知，在未增加工作面供風(fēng)量的情況下，工作面內(nèi)和上隅角瓦斯?jié)舛染闯霈F(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.28%，最高為0.52%，有效保障了工作面安全開采。

4 結(jié)論

通過對2312 工作面施工的5 個(gè)高位定向長鉆孔的瓦斯抽采純量進(jìn)行監(jiān)測，分析了高位定向長鉆孔的合理布置參數(shù)，認(rèn)為其垂直層位在25～32 m 之間，距回風(fēng)巷水平距離應(yīng)大于20 m。對工作面回采過程中上隅角瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測，采用高位定向長鉆孔抽采可有效降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛龋ＷC工作面安全開采。