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高位鉆孔瓦斯抽采終孔合理層位研究

張 磊

（河南義馬廣宇工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，河南 義馬 47722330000）

高位鉆孔瓦斯抽采是上隅角及工作面瓦斯超限治理的重要手段，文章以新安礦為研究背景，分析了影響高位鉆孔瓦斯抽采效果的關(guān)鍵性因素，通過理論分析與計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)抽采試驗(yàn)研究了高位瓦斯抽采鉆孔終孔的合理層位。研究得出：高位鉆孔終孔合理層位應(yīng)落在距煤層頂板15～28.1m，距風(fēng)巷巷幫距離應(yīng)控制在30.6～44.5m范圍內(nèi)。

高位鉆孔；瓦斯抽采；終孔合理層位

高位鉆孔瓦斯抽采是建立在礦山壓力理論基礎(chǔ)上，利用煤層采動(dòng)影響頂板巖層下沉穩(wěn)定后形成的裂隙區(qū)域作為瓦斯流動(dòng)的通道和聚集的場(chǎng)所，在進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷按照一定的傾角和仰角向煤層頂板施工鉆孔，抽放煤層頂板裂隙和冒落空間內(nèi)的瓦斯［1-2］，示意圖見圖1。實(shí)踐表明，當(dāng)高位鉆孔的終孔位置處于工作面頂板上部的裂隙帶時(shí)，在抽放負(fù)壓的作用下，煤體裂隙中的大量卸壓瓦斯經(jīng)由鉆孔被抽出。所以高位鉆孔對(duì)于有效處理工作面上隅角瓦斯超限和采空區(qū)瓦斯積聚都有較好的抽采效果。

圖1 高位鉆孔瓦斯抽采示意圖

新安礦為煤與瓦斯突出礦井，隨著采深的增加，礦井瓦斯涌出量及瓦斯壓力均逐漸增大，常出現(xiàn)工作面及上隅角瓦斯超限，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。針對(duì)工作面及上隅角瓦斯超限主要采用高位瓦斯抽采鉆孔，然而在抽采過程中常出現(xiàn)抽采濃度較低或抽采持續(xù)時(shí)間較短便失效。經(jīng)過分析原因是高位鉆孔布置的不合理，可能是終孔位置沒有進(jìn)入裂隙帶或者進(jìn)入裂隙帶有效長(zhǎng)度較短，造成抽采急速衰竭，抽采效果差。因此，準(zhǔn)確確定高位鉆孔終孔的合理層位對(duì)提高抽采效果有著至關(guān)重要的意義。

1 終孔合理層位確定

高位鉆孔終孔層位應(yīng)在采空區(qū)上覆巖層的冒落拱上方裂隙帶中，也就是冒落帶的上部和裂隙帶的中下部，這樣卸壓瓦斯才可以通過裂隙被高位鉆孔抽采，達(dá)到降低工作面瓦斯涌出的效果［3-4］。因此，準(zhǔn)確分析采空區(qū)上覆巖層的冒落帶和裂隙帶是確定瓦斯抽采最優(yōu)匯集區(qū)域的首要工作，文章采用理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)考察相結(jié)合的手段進(jìn)行了裂隙帶高度范圍研究。

1.1 裂隙帶高度理論計(jì)算

所研究工作面煤層煤厚平均4.2m，煤層頂?shù)装鍘r性：直接頂為砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖，老頂為細(xì)-中粒砂巖，采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，煤開采分層層數(shù)n=1。根據(jù)三帶高度的經(jīng)驗(yàn)公式［5］，有：

冒落帶高度Hm為：

導(dǎo)水裂隙帶（包含冒落帶最大高度）HL為：

經(jīng)驗(yàn)公式初步確定煤層頂板冒落帶最大垂高為13.0m，導(dǎo)水裂隙帶最大垂高HL范圍為13.0～46.3m，即距離煤層頂板8.8～42.1m。

1.2 裂隙帶高度現(xiàn)場(chǎng)考察及終孔層位確定

一般情況下，鉆孔瓦斯抽采濃度及抽采混量取決于封孔質(zhì)量、孔口抽放負(fù)壓及鉆孔口所處位置。當(dāng)鉆孔封孔質(zhì)量、孔口抽放負(fù)壓一定時(shí)，高位鉆孔抽采瓦斯混量（濃度）隨著鉆孔終孔位置的變化曲線形態(tài)基本為拋物線型，即開始抽采時(shí)抽采瓦斯混量和濃度較小，這是因?yàn)楦呶汇@孔周圍煤（巖）層還沒有卸壓，鄰近層瓦斯還沒有解吸；隨著工作面的逐步推進(jìn)，高位鉆孔周圍煤（巖）層充分卸壓，抽采濃度及抽采混量逐步增大到最高；而后經(jīng)過一段穩(wěn)定抽采后開始下降，這是由于高位鉆孔逐漸進(jìn)入到冒落帶而抽入空氣及鄰近層卸壓瓦斯源減少所致。因此根據(jù)抽采過程中的始抽段、高抽采量段和衰減段，來分析確定裂隙帶高度，從而為鉆孔參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1.2.1 工作面高位鉆孔設(shè)計(jì)

在所研究工作面風(fēng)巷距切眼100米向回采方向每隔6m施工一個(gè)高位鉆孔，共施工3個(gè)作為研究試驗(yàn)孔，開孔位置施工在風(fēng)巷下幫煤壁與頂板的交匯處的頂板上，終孔高度控制在計(jì)算得出的導(dǎo)水裂隙帶范圍之內(nèi)。鉆孔參數(shù)情況如表1所示，鉆孔布置剖面圖如圖2所示。

1.2.2 高位鉆孔抽采效果現(xiàn)場(chǎng)考察

對(duì)1#、2#、3#高位鉆孔進(jìn)行了抽采效果現(xiàn)場(chǎng)考察，各鉆孔抽采效果具體見圖3～5所示。

圖2 工作面鉆孔布置剖面圖

鉆孔編號(hào)孔深（m）仰角（°）方位角（°）孔口距終孔平距X（m）終孔距風(fēng)巷平距Y（m）終孔距煤層高度H（m）1#2#3#105 94 92 13 15 16 30 30 25 93.36 84.27 86.75 51.15 45.40 37.37 23.63 24.35 25.39

圖3 1#高位鉆孔抽采效果考察

圖4 2#高位鉆孔抽采效果考察

圖5 3#高位鉆孔抽采效果考察

從圖中可以看出抽采數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出先增大后減小的拋物線分布狀態(tài)，這是因?yàn)殡S著工作面推進(jìn)，鉆孔終孔逐漸與采動(dòng)裂隙帶導(dǎo)通，在抽采負(fù)壓作用下大量瓦斯通過鉆孔排出；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，工作面后方裂隙逐漸壓實(shí)，鉆孔的有效垂高降低，新形成的終孔進(jìn)入冒落帶內(nèi)，由于冒落帶巖石破碎，塌孔以及鉆孔堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，抽采量急劇下降。

根據(jù)上述抽采數(shù)據(jù)分析，1#鉆孔在8月30號(hào)-9月9號(hào)期間、2#鉆孔在9月17號(hào)-9月20號(hào)期間、3#鉆孔在9月11號(hào)-9月25號(hào)期間，對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采濃度較高均在60%以上且持續(xù)穩(wěn)定。根據(jù)工作面推進(jìn)進(jìn)尺及鉆孔的布置方位角計(jì)算出各鉆孔在穩(wěn)定抽采期間初始點(diǎn)與期末點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的終孔參數(shù)，見表2所示。

2 結(jié)論及建議

根據(jù)文章研究分析，高位鉆孔瓦斯抽采終孔最佳層位應(yīng)在采空區(qū)上覆巖層冒落帶的上部和裂隙帶的中下部，這樣卸壓瓦斯才可以通過裂隙被高位鉆孔抽采，達(dá)到降低工作面瓦斯涌出的效果。通常采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛缺冗M(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛纫?，因此高位鉆孔應(yīng)施工在回風(fēng)側(cè)，建議礦方在高位鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證終孔落在距煤層頂板15～28.1m，

表2 工作面各鉆孔抽采濃度明顯變化時(shí)數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)礦壓基本理論可知，由于受區(qū)段保護(hù)煤柱（或沿空留巷）的支撐應(yīng)力作用，采空區(qū)側(cè)靠近順槽附近覆巖的垮落帶及裂隙帶均沒有靠近工作面中部區(qū)域發(fā)育。因此隨著與煤層傾斜方向巷幫平距的增大，裂隙帶高度越大；同樣越靠近工作面上下順槽冒落帶高度越低，越靠近工作面中部冒落帶高度越高。

從表中可以看出，3個(gè)鉆孔抽采濃度顯著降低時(shí)，對(duì)應(yīng)的距煤層頂板的高度范圍為12.9m～15m，對(duì)應(yīng)的距風(fēng)巷上幫的平距范圍為20.4m～30.6m；抽采濃度最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的距煤層頂板的高度范圍為14.4m～28.1m，對(duì)應(yīng)的距風(fēng)巷上幫的平距范圍為26.9m～44.5m。分析可認(rèn)為冒落帶的最大高度為15m，與前文經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算基本一致，認(rèn)為距離煤層頂板15m～28.1m為高位鉆孔的最佳垂距范圍，即位于裂隙帶的中下部；距離回風(fēng)巷上幫平距30.6m～44.5m為傾向方向高位鉆孔的最佳范圍。距風(fēng)巷巷幫距離應(yīng)控制在30.6～44.5m的層位范圍內(nèi)。

［1］陳賡，楊高峰，鄒立強(qiáng)，等.朱莊煤礦高位鉆孔瓦斯抽采效果主要影響因素［J］.煤礦安全，2012，43（2）：109-112.

［2］蔡文鵬，劉健，孫東生，等.頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013（12）：35-38.

［3］劉桂麗，楊躍奎，撒占友，等.高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：450-458.

［4］范曉剛.高位鉆孔瓦斯抽采實(shí)踐及效果考察［J］.中州煤炭，2013（10）：94-96.

［5］尹尚先，徐斌，徐慧，等.綜采條件下煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算研究［C］.2013煤炭科學(xué)技術(shù)40年創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇論文集.2013：138-142.

Research on the Reasonable Horizon for the EndHole of the Gas Drainage in High Position Drilling

Zhang Lei
(Henan Yima Guangyu Engineering Design Consulting Co.,Ltd.,Yima Henan 472300)

Gas drainage in high position drilling is an important means of transfinite governance on the corner and surface gas.This paper takes the Xinan Coal Mine as the research background,analyzes the key factorsaffecting high level borehole gas drainage effect,through theoretical analysis and calculation,field drainage experiment,the reasonable horizon for the end holeof high gas drainagedrilling is studied.It is concluded that:high level borehole end hole reasonable horizon should fall in 15～28.1m from the roof,theairway distance of roadway should be controlled in the range of 30.6～44.5m.

high position drilling；gas drainage；reasonablehorizon of endhole

TD712

A

1003-5168（2015）05-0072-3

2015-4-28

張磊（1988.5-），男，本科，助理工程師，研究方向：采礦設(shè)計(jì)。

［欄目責(zé)任編輯 歐陽(yáng)曦］