高位定向鉆孔分層布置與瓦斯抽采效果分析

王永文，姚寧平，王海龍，張 杰*，閆志強(qiáng)，王建強(qiáng)，賈曉峰，杜學(xué)明

（1.山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 介休 032000；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

瓦斯災(zāi)害是煤礦重大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅、制約著礦井安全生產(chǎn)［1-2］。隨著礦井開采深度的增大，礦井瓦斯涌出量增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象加劇，治理不善極易造成瓦斯超限，嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高瓦斯礦井采空區(qū)瓦斯涌出量占比可達(dá)40%～50%［3］。采空區(qū)瓦斯涌出易引起回風(fēng)巷瓦斯超限，威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，高效抽采采空區(qū)瓦斯對(duì)保障工作面安全生產(chǎn)意義重大［4］。國(guó)內(nèi)采空區(qū)瓦斯治理方法目前主要有：高抽巷和高位鉆孔。高抽巷是布置在所采煤層頂板裂隙帶內(nèi)專用瓦斯抽采的巷道，存在巖巷施工成本高，掘進(jìn)周期長(zhǎng)等不足；高位鉆孔是在開采煤層頂板施工瓦斯抽采鉆孔，將鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)，治理采空區(qū)瓦斯。定向高位鉆孔施工采用定向鉆進(jìn)技術(shù)，具有鉆孔軌跡可控的優(yōu)點(diǎn)，在治理采空區(qū)瓦斯具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅單孔深度大，而且有效孔段比例高。近年來，隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，已在全國(guó)多個(gè)礦區(qū)推廣采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，取得了顯著的效果［5-10］。筆者采用“三帶”分布理論和采動(dòng)裂隙“O”型圈理論對(duì)頂板高位定向鉆孔層位采取分層布置，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了高位定向鉆孔在抽采周期內(nèi)不同階段瓦斯抽采的效果。

1 工作面概況

曙光煤礦1226 工作面可采走向長(zhǎng)度1300 m，工作面寬度180 m，根據(jù)相鄰工作面瓦斯抽采情況，預(yù)計(jì)1226 工作面回采期間最大瓦斯涌出量8 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量約占總涌出量的60%，采空區(qū)瓦斯為主要瓦斯涌出來源。1226 工作面2 號(hào)煤層平均厚度2.85 m，傾角1°～4°，最大瓦斯壓力0.28 MPa，已有地質(zhì)資料顯示2 號(hào)煤層頂板地層主要為泥巖、砂巖和1 號(hào)煤層。1226 工作面采用沿空留巷“Y”型通風(fēng)方式，巷道布置及通風(fēng)方式如圖1 所示。

圖1 1226 工作面巷道布置和通風(fēng)方式示意Fig.1 Roadway layout and ventilation in No.1226working face

2 鉆孔布孔層位設(shè)計(jì)

鉆孔布孔層位是影響后期鉆孔瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素，根據(jù)“三帶”分布理論和采動(dòng)裂隙“O”型圈理論，鉆孔布孔層位設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要考慮鉆孔沿工作面走向和傾向2 個(gè)方向的布置。

2.1 沿工作面走向

根據(jù)“三帶”分布理論，在工作面回采期間，煤層頂板巖層由下到上依次會(huì)產(chǎn)生垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，裂隙帶內(nèi)裂隙發(fā)育充分，且地層相對(duì)穩(wěn)定有利于保持鉆孔完好，一般都將高位定向鉆孔布置在頂板裂隙帶內(nèi)。

根據(jù)煤層開采后垮落帶及裂隙帶高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式［11-12］：

式中：Hm——垮落帶最大高度，m；Hi——裂隙帶最大高度，m；M——煤層厚度，m。

由式（1）和（2）計(jì)算出垮落帶最大高度為11.0 m，裂隙帶最大高度為40.8 m，結(jié)合曙光煤礦普通高位鉆孔布孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定布孔層位為上中下3 層，分別距離2 號(hào)煤層23.0、20.0 和17.0 m，鉆孔剖面布孔如圖2 所示，目標(biāo)層為中砂巖和砂質(zhì)泥巖。

圖2 鉆孔剖面布孔示意Fig.2 Profile of drilling holes

2.2 沿工作面傾向

根據(jù)采動(dòng)裂隙“O”型圈理論，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板離層裂隙不斷增大，采空區(qū)中部離層裂隙最發(fā)育，當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離時(shí)，采空區(qū)中部離層裂隙趨于壓實(shí)，離層裂隙發(fā)育開始下降，而采空區(qū)四周離層裂隙在煤壁支撐作用下仍能保持，形成一個(gè)閉合環(huán)形的離層裂隙發(fā)育“O”型裂隙圈［13］，其隨回采工作面的推進(jìn)逐漸增大并始終存在。采動(dòng)裂隙“O”型圈是采空區(qū)瓦斯聚集場(chǎng)所和瓦斯涌出的主要通道，在回風(fēng)流的作用下，瓦斯主要聚集在工作面回風(fēng)側(cè)“O”型圈區(qū)域，為了保證采空區(qū)及上隅角瓦斯治理效果，一般選擇在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的“O”型圈內(nèi)進(jìn)行鉆孔布置。鉆孔水平間距應(yīng)根據(jù)單孔瓦斯有效抽采半徑進(jìn)行確定，避免鉆孔間距過大或過小造成瓦斯抽采效果差或鉆孔工程量增加［14-17］。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)鉆孔間距為10 m，分別距離回風(fēng)巷35、25 和15 m，鉆孔平面布孔如圖3 所示。

圖3 鉆孔平面布孔示意Fig.3 Plan layout of drilling holes

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 高位定向鉆孔施工情況

在曙光煤礦1226 工作面運(yùn)輸巷，施工2 個(gè)鉆場(chǎng)6 個(gè)頂板高位定向鉆孔，鉆孔深度最小537 m，最大801 m，終孔孔徑153 mm，總進(jìn)尺3762 m。鉆孔布孔層位見表1，鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面/平面投影如圖4、圖5 所示。

表1 各鉆孔施工數(shù)據(jù)Table 1 Borehole drilling data

圖4 1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面/平面投影Fig.4 Vertical/plan projection of drilling trajectories from 1# drilling site

圖5 2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面/平面投影Fig.5 Vertical/plan projection of drilling trajectories from 2# drilling site

3.2 高位定向鉆孔抽采效果分析

1 號(hào)鉆場(chǎng)3 個(gè)高位定向鉆孔接抽起止時(shí)間為2019 年6 月15 日—11 月7 日，累 計(jì) 抽 采146 天，1-1號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大70.0%，平均瓦斯抽采濃度50.0%；1-2 號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大80.0%，平均瓦斯抽采濃度24.0%；1-3 號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大80.0%，平均瓦斯抽采濃度11.0%。上述3 個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采濃度28.4%。

1-1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大2.67 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.66 m3/min；1-2 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大1.39 m3/min，平均瓦斯抽采純量0.85 m3/min；1-3 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大1.38 m3/min，平均瓦斯抽采純量0.57 m3/min。上述3 個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采純量1.03 m3/min。

從1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度和純量曲線圖6 和圖7 中可以看出，1-1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采效果最好。

圖6 1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度曲線與實(shí)鉆軌跡Fig.6 Gas drainage concentration curves and actual drilling trajectories of the holes from 1# drilling site

圖7 1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采純量曲線Fig.7 Gas extraction scalar curves of the holes from 1# drilling site

從1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度曲線與實(shí)鉆軌跡圖中（圖6）可以看出，該鉆場(chǎng)距離工作面切眼最近，在工作面回采初期，由于采空區(qū)區(qū)域面積小，頂板裂隙發(fā)育不充分，導(dǎo)致高位定向鉆孔在工作面回采初期未檢測(cè)到瓦斯；隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)區(qū)域面積不斷擴(kuò)大，頂板裂隙發(fā)育豐富，裂隙高度逐漸增大，與高位定向鉆孔實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，此時(shí)高位定向鉆孔開始檢測(cè)到瓦斯，瓦斯抽采效果顯現(xiàn)并逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；隨著工作面的繼續(xù)推移，高位定向鉆孔所處層位逐漸降低由裂隙帶進(jìn)入垮落帶，由于空氣進(jìn)入鉆孔導(dǎo)致瓦斯抽采濃度逐漸降低。

2 號(hào)鉆場(chǎng)3 個(gè)高位定向鉆孔接抽起止時(shí)間為2019 年10 月11 日—2020 年3 月7 日，累 計(jì) 抽 采149天，2-1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大80.0%，平均瓦斯抽采濃度46.3%；2-2 號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大80.0%，平均瓦斯抽采濃度45.8%；2-3 號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度最大80.0%，平均瓦斯抽采濃度38.9%。上述3 個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采濃度43.7%。

2-1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大3.33 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.56 m3/min；2-2 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大3.39 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.53 m3/min；2-3 號(hào)鉆孔瓦斯抽采純量最大3.02 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.29 m3/min。上述3 個(gè)鉆孔平均瓦斯抽采純量1.46 m3/min。

從2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度和純量曲線圖8 和圖9 中可以看出，3 個(gè)鉆孔瓦斯抽采效果相當(dāng)，2-1 號(hào)鉆孔瓦斯抽采效果最好。

圖8 2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度曲線與實(shí)鉆軌跡Fig.8 Gas drainage concentration curves and actual drilling trajectories of the holes from 2# drilling site

從2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采濃度和純量曲線圖8 和圖9 中可以看出，3 個(gè)鉆孔瓦斯抽采濃度和純量曲線整體都呈先逐漸增大，中間區(qū)域穩(wěn)定，最后逐漸減小的趨勢(shì)。從整個(gè)工作面鉆場(chǎng)布置情況分析，1號(hào)鉆場(chǎng)距離工作面切眼最近，其次為2 號(hào)鉆場(chǎng)，因此1 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔在工作面回采初期由于采空區(qū)區(qū)域范圍小，頂板裂隙發(fā)育不充分，各鉆孔初期未檢測(cè)到瓦斯，由于2 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔軌跡對(duì)1 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔軌跡造斜爬坡段進(jìn)行了搭接，導(dǎo)致在搭接區(qū)域受1 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔瓦斯抽采的影響，2 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔在接抽初期瓦斯?jié)舛群图兞砍手饾u增大的趨勢(shì)。

圖9 2 號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔瓦斯抽采純量曲線Fig.9 Gas extraction scalar curves of the holes from 2# drilling site

綜上所述，高位定向鉆孔瓦斯抽采效果在整個(gè)抽采周期內(nèi)呈波動(dòng)狀態(tài)，中間孔段瓦斯抽采效果較穩(wěn)定，兩端孔段由于受鉆孔布孔層位及前后鉆場(chǎng)各鉆孔搭接影響呈波動(dòng)上升和波動(dòng)下降趨勢(shì)。可見為了提高高位定向鉆孔瓦斯抽采濃度和純量，應(yīng)增大高位定向鉆孔中間孔段比例，降低兩端孔段比例。

4 結(jié)論

（1）高位定向鉆孔瓦斯抽采效果由于受布孔層位及相鄰兩鉆場(chǎng)鉆孔軌跡之間的搭接影響，整個(gè)高位鉆孔中間孔段瓦斯抽采效果最佳且最穩(wěn)定，因此應(yīng)增大高位定向鉆孔中間孔段占比，減少造斜孔段占比。

（2）為提高高位定向鉆孔中間孔段占比，可采用大角度開孔或大角度螺桿馬達(dá)快速造斜，從而降低造斜孔段占比，提高中間孔段占比。

（3）在工作面回采初期，由于頂板垮落范圍小，頂板裂隙發(fā)育高度低，為了提高該區(qū)域瓦斯抽采效果，建議將該區(qū)域鉆孔布孔層位降低。