青龍煤礦11615工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采分析

郭 英，孟祥軍，陳功華，阮國強(qiáng)，季鵬飛，孔祥國

(1.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500；2.兗礦貴州能化有限公司，貴州 貴陽 550000；3.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 黔西 551500；4.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤層回采過程中，采空區(qū)上覆巖層受采動(dòng)卸壓應(yīng)力影響，易發(fā)生變形破壞，形成大量微小裂隙并不斷擴(kuò)展、貫通，演變?yōu)殡x層裂隙和破斷裂隙[1]，構(gòu)成瓦斯運(yùn)移通道，鄰近層瓦斯不斷向采空區(qū)涌出，采空區(qū)瓦斯成為工作面瓦斯的重要來源[2]。頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔由于鉆進(jìn)位置精確、抽采周期長(zhǎng)、抽采濃度高，成為采動(dòng)影響區(qū)治理瓦斯的關(guān)鍵技術(shù)措施[3-5]，是煤層瓦斯防治的利刃，該技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展并逐漸推廣應(yīng)用[6-8]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高位定向長(zhǎng)鉆孔治理煤層瓦斯做了諸多研究，成果豐碩。PANCHAL等[9]介紹了一種關(guān)于控制抽采鉆孔軌跡傾角及方位角的線性控制器，并實(shí)地應(yīng)用到煤礦定向打孔，取得很好的效果；袁亮等[10]開展了淮南礦區(qū)開采煤層頂板抽放瓦斯技術(shù)的研究，確定了頂板抽放瓦斯鉆孔的最佳位置，實(shí)現(xiàn)采煤工作面瓦斯抽放率在60%以上；侯國培等[11]根據(jù)“O形圈”理論，通過對(duì)比分析高位定向長(zhǎng)鉆孔和頂板穿層普通鉆孔瓦斯抽采效果，證明了定向長(zhǎng)距離鉆孔的抽采效率更高、經(jīng)濟(jì)效益更好；孟曉紅等[12]對(duì)實(shí)際瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察對(duì)比，發(fā)現(xiàn)位于高位裂隙帶鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量均高于普通裂隙帶鉆孔，并且距煤層頂板50 m以上裂隙鉆孔抽采效果低于低層位裂隙鉆孔。

青龍煤礦所在井田區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害事故頻發(fā)，為高瓦斯突出礦井，瓦斯防治任務(wù)艱巨。11615工作面回采期間，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板上覆巖層應(yīng)力釋放形成大量裂隙，鄰近煤層直接向采空區(qū)釋放瓦斯，由于上隅角風(fēng)流速度較慢，易引起上隅角瓦斯超限。通過與中煤科工集團(tuán)西安研究院合作，利用高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)采空區(qū)上覆巖層進(jìn)行瓦斯抽采，解決上隅角瓦斯超限問題[13-14]。

1 高位定向長(zhǎng)鉆孔的布置

1.1 11615工作面概況

11615工作面位于一采區(qū)東北部，東南臨11613工作面，西北臨一采區(qū)、二采區(qū)邊界保護(hù)煤柱，西南臨主井筒保護(hù)煤柱；軌順下部為11613底抽巷，運(yùn)順下部為11615底抽巷。該工作面所采煤層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M16號(hào)煤層，厚度在0.3～3.0 m之間，平均厚2.3 m，該工作面煤層相對(duì)不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，以亮～半亮型，條帶狀結(jié)構(gòu)，粉粒狀～塊狀構(gòu)造。煤巖層總體趨勢(shì)呈西南高東北低，為一單斜構(gòu)造，運(yùn)順走向長(zhǎng)834.4 m，軌順走向長(zhǎng)832.2 m，傾斜長(zhǎng)144.9 m，面積為120 889.5 m2。煤層瓦斯含量為14.22～18.22 m3/t，屬高瓦斯區(qū)，煤層堅(jiān)固性系數(shù)僅為0.3左右，膠結(jié)性差，受采動(dòng)影響時(shí)煤層松軟破碎嚴(yán)重。

1.2 高位定向長(zhǎng)鉆孔施工情況

鉆孔分布在距離回風(fēng)巷10～40 m范圍內(nèi)，共設(shè)置4個(gè)鉆孔，間距10 m，覆蓋到工作面1/3的范圍。定向鉆孔在水平面設(shè)計(jì)平行于回風(fēng)巷，1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔、4#鉆孔分別距離回風(fēng)巷10 m、20 m、30 m、40 m的位置；垂直平面上對(duì)應(yīng)垂高為30 m。主孔設(shè)計(jì)深度600 m，鉆孔設(shè)計(jì)軌跡，如圖1所示。

2 高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采情況分析

1#鉆場(chǎng)主要抽采工作面回采里程261～855 m處的采空區(qū)上覆巖層瓦斯，觀測(cè)時(shí)間為2017年09月28日—2018年04月26日，平均每7 d觀測(cè)一次，實(shí)時(shí)記錄回采里程、瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓、抽采純流量等參數(shù)。

2.1 1#鉆孔～4#鉆孔瓦斯抽采情況分析

圖1 1#鉆場(chǎng)高位定向長(zhǎng)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)平面圖、剖面圖Fig.1 Design plan and section view of trajectory design of 1# drill field high-directional long drilling

1#高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采情況如圖2(a)所示。瓦斯?jié)舛群统椴杉兞髁侩S抽采時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，整個(gè)回采期間大致呈M形，抽采前期瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?，維持短時(shí)間穩(wěn)定后(瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在14.3%左右)迅速下降，而抽采純流量則表現(xiàn)為先快速上升，抽采時(shí)間為2017年10月16日時(shí)達(dá)到最大值，為1.601 6 m3/min，隨后迅速下降；抽采中前期較為穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.75%左右，抽采純流量基本穩(wěn)定在0.044 6 m3/min左右；抽采中后期再次升高并進(jìn)入穩(wěn)定抽采階段，瓦斯?jié)舛缺３衷?2.4%左右，抽采純流量保持在0.735 1 m3/min左右，抽采后期再次下降。抽采純流量的大小直接反映了采空區(qū)上覆巖層中瓦斯含量的高低，依據(jù)抽采純流量隨回采里程的變化趨勢(shì)，即可確定采空區(qū)瓦斯富集區(qū)域位置，并將1#鉆孔瓦斯抽采情況劃分為四個(gè)階段，即回采里程為261.0～495.3 m時(shí)，為抽采上升期；回采里程為495.3～619.3 m時(shí)，為抽采低迷期；回采里程為619.3～706.5 m，為抽采穩(wěn)定期；回采里程為706.5～855.0 m，為抽采沒落期。

2#高位定向長(zhǎng)鉆孔和3#高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采情況見圖2(b)和圖2(c)。兩鉆孔的抽采純流量在整個(gè)抽采時(shí)段內(nèi)變化趨勢(shì)相近，依據(jù)抽采純流量隨回采里程的變化趨勢(shì)，可將2#鉆孔和3#鉆孔瓦斯抽采情況劃分為兩個(gè)階段。對(duì)于2#鉆孔，回采里程為261.0～827.6 m時(shí)，為抽采穩(wěn)定期，抽采純流量基本維持在1.25 m3/min左右；回采里程為827.6～855.0 m時(shí)，為抽采沒落期。對(duì)于3#鉆孔，回采里程為261.0～619.3 m時(shí)，為抽采穩(wěn)定期；抽采純流量基本穩(wěn)定在1.6 m3/min左右，回采里程為619.3～855.0 m，為抽采沒落期。2#鉆孔和3#鉆孔的瓦斯抽采濃度在抽采前期和抽采中期的變化趨勢(shì)基本一致，均隨抽采時(shí)間呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，抽采后期2#鉆孔瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)回升現(xiàn)象，而3#瓦斯?jié)舛润E降并不再回升。2#鉆孔瓦斯?jié)舛确秶鸀?.5%～33.4%，在2017年9月28日時(shí)抽采濃度最大；3#鉆孔瓦斯?jié)舛确秶鸀?.5%～39.8%，在2017年9月28日時(shí)抽采濃度最大。

4#高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采情況見圖2(d)。該鉆孔瓦斯?jié)舛容^前述三個(gè)鉆孔穩(wěn)定，瓦斯?jié)舛确秶鸀?3.9%～31.4%，抽采中期穩(wěn)定在18.5%左右，抽采效果最佳；抽采純流量范圍為0.123 0～3.282 8 m3/min，且隨抽采時(shí)間逐漸減少。依據(jù)抽采純流量隨回采里程的變化趨勢(shì)，將2#鉆孔瓦斯抽采情況劃分為三個(gè)階段，即回采里程為261.0～524.3 m時(shí)，為抽采下降期；回采里程為447.0～706.5 m，為抽采穩(wěn)定期；回采里程為706.5～855.0 m，為抽采沒落期。

2.2 11615工作面鉆場(chǎng)瓦斯抽采情況分析

1#鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果如圖3所示。11615采煤工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔在軌順里程830 m處布置1個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)4個(gè)遠(yuǎn)程定向長(zhǎng)鉆孔，回采里程261～855 m區(qū)段，鉆場(chǎng)抽采純流量、瓦斯?jié)舛燃俺椴苫旌狭髁吭诨夭沙跗诰S回采里程的增加呈上升趨勢(shì)；回采中期抽采混合流量呈“拱形”變化趨勢(shì)，回采里程達(dá)到609 m時(shí)鉆場(chǎng)抽采混合流量達(dá)到最大，為42.5 m3/min，瓦斯?jié)舛燃俺椴杉兞髁縿t呈W形變化趨勢(shì)，回采里程達(dá)到732 m時(shí)鉆場(chǎng)瓦斯抽采純流量達(dá)到最大，為6.48 m3/min；回采后期瓦斯?jié)舛壤^續(xù)上升，當(dāng)回采至773 m時(shí)，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值，為17.80%，抽采純流量和抽采混合流量則隨回采里程的增加逐漸降低，回采里程達(dá)到855 m時(shí)，鉆場(chǎng)抽采純流量及混合流量分別下降為1.56 m3/min和18.7 m3/min。

圖3 1#鉆場(chǎng)瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 1# drilling field gas drainage statistics

3 高位定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采規(guī)律研究

采空區(qū)上覆巖層易出現(xiàn)瓦斯富集區(qū)，是由于11615工作面回采過程中采動(dòng)壓力形成大量新生裂隙，包括離層裂隙和破斷裂隙，提高了煤巖通透性，鄰近層卸壓瓦斯沿導(dǎo)氣裂隙帶向此聚集，在采空區(qū)冒落帶上方，裂隙帶下方并且靠近回風(fēng)巷的位置形成瓦斯富集區(qū)。因此，高位定向長(zhǎng)鉆孔的終孔位置落在瓦斯富集區(qū)附近的裂隙帶內(nèi)是最為理想的布孔方式[15]。

通過設(shè)置高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)采空區(qū)上覆巖層裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽放，特別是上隅角等易積聚瓦斯區(qū)域進(jìn)行抽放，在抽采負(fù)壓作用下，瓦斯氣體不斷從裂隙向鉆孔運(yùn)移，削弱其通過各種形式進(jìn)入工作面風(fēng)流中，確保工作面的安全高效生產(chǎn)[16-17]，為煤層瓦斯防治提供了新技術(shù)。

3.1 鉆孔抽采效果與回采里程的關(guān)系

11615回采工作面煤層較不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不同回采里程處的煤層瓦斯含量存在很大差異，此外回采期間受采動(dòng)應(yīng)力影響，采空區(qū)上覆巖層裂隙發(fā)育情況也不一樣。各鉆孔瓦斯抽采濃度隨回采里程的變化趨勢(shì)(圖4)，發(fā)現(xiàn)各鉆孔回采初期瓦斯?jié)舛茸罡?，回采中期有所下降，回采后?#鉆孔和3#鉆孔瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)二次下降，2#鉆孔和4#鉆孔瓦斯?jié)舛扔兴厣Ｍ咚節(jié)舛瘸霈F(xiàn)此變化趨勢(shì)的原因，可能是由于煤層瓦斯含量在回采初期較大，并且裂隙最為發(fā)育，利于瓦斯向采空區(qū)上覆巖層運(yùn)移；回采中期煤層瓦斯含量降低，裂隙發(fā)育情況相對(duì)較差，導(dǎo)致瓦斯壓力降低，運(yùn)移通道尺寸減小、數(shù)量減少，煤層瓦斯向抽采鉆孔運(yùn)移較為困難。對(duì)各鉆孔抽采效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)4#鉆孔瓦斯?jié)舛雀咔逸^為穩(wěn)定，說明其鉆孔終孔位置最靠近采空區(qū)上覆巖層裂隙帶發(fā)育位置，與裂隙貫通度較好，抽采效果最佳。

圖4 1#鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯?jié)舛入S回采里程變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of gas concentration in each drill holeof 1# drilling field with stoping mileage

3.2 鉆孔抽采效果與距回風(fēng)巷距離的關(guān)系

各鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比見圖5。由于采空區(qū)上覆巖層瓦斯富集區(qū)靠近回風(fēng)巷一側(cè)，高位定向長(zhǎng)鉆孔與回風(fēng)巷的相對(duì)距離會(huì)影響其瓦斯抽采效果。通過對(duì)比分析距離回風(fēng)巷10 m、20 m、30 m和40 m鉆孔抽采情況，發(fā)現(xiàn)1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔的瓦斯抽采濃度變化幅度較大，抽采中期瓦斯?jié)舛容^低，抽采效果較差，而4#鉆孔在整個(gè)抽采過程中瓦斯抽采濃度較為穩(wěn)定，基本保持在18.5%左右，抽采效果較好；抽采中期各鉆孔瓦斯?jié)舛却笮∫来螢椋?#鉆孔>3#鉆孔>2#鉆孔>1#鉆孔，其中4#鉆孔距離回風(fēng)巷40 m。因此，4#鉆孔所處位置最靠近瓦斯富集區(qū)周圍的裂隙帶，即遠(yuǎn)程定向長(zhǎng)鉆孔距離回風(fēng)巷40 m左右時(shí)，采空區(qū)裂隙帶最為發(fā)育，利與瓦斯氣體運(yùn)移，在此設(shè)置鉆孔時(shí)，抽采效果最佳。

3.3 鉆孔抽采效果與抽采負(fù)壓的關(guān)系

鉆孔抽采瓦斯的動(dòng)力來源于煤層瓦斯壓力與抽采負(fù)壓之間形成的壓差，抽采負(fù)壓不同，抽采效果也不一樣，以1#鉆孔為例，鉆孔抽采負(fù)壓與抽采純流量對(duì)比見圖6。抽采初期采空區(qū)上覆巖層中瓦斯含量高，壓力較大，大量瓦斯向鉆孔運(yùn)移，此時(shí)較低的抽采負(fù)壓即可保證足夠大的抽采純流量，隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，該區(qū)域瓦斯壓力降低，低抽采負(fù)壓與煤層瓦斯壓力形成的壓差，不足以為瓦斯流動(dòng)提供足夠動(dòng)力，瓦斯抽采純流量下降。為提高瓦斯抽采純量，采取提高瓦斯抽采負(fù)壓的方式，為該區(qū)域瓦斯運(yùn)移提供足夠動(dòng)力，瓦斯抽采純流量開始回升，抽采末期，該區(qū)域瓦斯壓力降低、瓦斯抽采純量下降，回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷?.25%～0.35%之間，已達(dá)到抽放消突標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 各鉆孔瓦斯抽采濃度對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of gas drainage concentrationin each boreholes

圖6 1#鉆孔抽采負(fù)壓與抽采純流量對(duì)比圖Fig.6 1# borehole comparison diagram of negativepressure and pure flow rate of drainage

4 結(jié) 論

1) 11615工作面通過施工高位定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，回采期間該工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆档?.25%～0.35%之間，有效降低了回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，解決了回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}。

2) 通過對(duì)各定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采效果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)4#鉆孔瓦斯抽采參數(shù)穩(wěn)定性較強(qiáng)，抽采效果較好；1#鉆孔、2#鉆孔、3#鉆孔瓦斯抽采參數(shù)波動(dòng)較大、穩(wěn)定性差、抽采效果較差。

3) 高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果與回采里程有關(guān)，11615工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果大致隨回采里程的增加逐漸升高，但在回采后期有所下降。

4) 高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果與距回風(fēng)巷的距離有關(guān)，11615工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔距回風(fēng)巷40 m左右時(shí)，瓦斯抽采濃度最穩(wěn)定，基本維持在18.5%左右，抽采效果最佳。

5) 高位定向長(zhǎng)鉆孔的瓦斯抽采效果與其抽采負(fù)壓大小有關(guān)，抽采中期采取提高瓦斯抽采負(fù)壓的方法，可提高瓦斯?jié)舛取⒊椴杉兞?，進(jìn)而提高瓦斯抽采效率。