长距离定向钻孔抽采高位裂隙带瓦斯研究与应用

长距离定向钻孔抽采高位裂隙带瓦斯研究与应用

张佳龙 高海东

1. 陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安， 727307

摘要：为了探究黄陵二号煤矿瓦斯高效精准抽采新模式，采用理论分析及现场实证的方法，以209工作面为研究对象，采用理论计算和井下实测相结合的方法确定了裂隙带高度，并施工了定向长距离高位裂隙钻孔，取得了较好效果。研究表明：黄陵二号煤矿209工作面裂隙带高度范围为30.11～41.31m；通过对该区域内多项数据监测，证明长距离高位钻孔能够更加高效地解决高位裂隙带瓦斯，且相较于普通高位钻孔，钻孔利用周期长、抽采流量稳定、钻孔施工精度高、抽放浓度高等优点。

关键词：定向钻孔；高位裂隙带；钻孔布置；瓦斯抽采

0 引言

瓦斯气体作为煤炭开采的伴生物，由于其超限导致的爆炸、煤与瓦斯突出等灾害事故，严重威胁着人的生命健康和安全生产^[1-2]。高效抽采并利用煤层瓦斯，能够达到节能减排保护生态环境的目的，对促进煤矿行业的良性循环发展、实现经济效益和社会效益的最大化起到重要作用^[3-4]。“裂隙带”高度是瓦斯抽采工作必须考虑的一个重要的技术参数，高位钻孔瓦斯抽采是采空区瓦斯治理的有效技术手段。实践证明，高位钻孔布置采空区上覆岩层裂隙带内，瓦斯抽采效果最佳^[5-6]。

陕西黄陵二号煤矿有限公司（以下简称“二号煤矿”）随着采掘延伸、开采强度加大，矿井瓦斯涌出量逐年增加，矿井瓦斯治理难度逐步加大，回采工作面采空区瓦斯治理已经成为矿井瓦斯治理的重点。作为采空区瓦斯治理的常用手段，高位裂隙带瓦斯抽采既可以有效抽采以减少采空区瓦斯量，又可以通过抽采负压在采空区回风隅角处形成“负压圈”，影响采空区风流场。受采掘巷道布置影响，高位裂隙带钻孔只能在工作面回风巷施工。以往的钻孔采用普通液压钻机施工，钻孔轨迹不可控，钻孔抽采时间短、利用率低，且钻孔在目标层位内的有效抽采段短。本次采用定向钻机施工长距离钻孔替代传统高位裂隙带钻孔，可实现轨迹可控、钻孔有效抽采率高，抽采量稳定等优势，也顺应了瓦斯精准抽采的理念。

1 工作面情况

209综采工作面地层倾角在0°～3°，据勘探结果显示，该区域内地层较为平缓，无较大起伏及断层存在。工作面2#煤层平均厚度3.2m，本煤层内瓦斯含量分布不均，差异较大，2#煤顶板局部含有石油及油型气，煤层直接顶板为灰～灰白色细粒砂岩，次棱角状，泥质胶结，较致密，坚硬，层面含大量黄铁矿薄膜，波状层理，厚度14～25m。2#底板赋存有3#煤，煤层直接底板为灰色～深黑色泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，厚度1～2.5m。3#煤厚度在0m～2.3m之间，与2#煤层间距在0m～15.3m。经过对209工作面2号煤层瓦斯基础参数测试，得到瓦斯基础参数为：煤层原始瓦斯含量为0.9～5.08m³/t，煤层瓦斯压力为0.037～0.667MPa。工作面内煤层上覆65m岩层岩性状况见表1（R61）。

表1 R61钻孔2号煤层顶板及上部岩层发育情况

目前，209工作面采空区瓦斯治理压力主要来自于三方面。一是工作面切眼至6#联络巷范围煤层瓦斯含量3m³/min～6.7m³/min，煤层瓦斯含量较高，生产期间落煤产生瓦斯量较大，且遗煤进入采空区后涌出大量瓦斯。二是工作面顶底板油气赋存量较大，但赋存不规律，顶底板油气进入采空区后涌出较多。三是临近的207工作面采空区与209工作面采空区导通，为采空区瓦斯治理增加难度。

2 209工作面裂隙带高度确定

针对黄陵二号煤矿209采煤工作面，采用经验计算法初步测定三带高度。根据黄陵二号煤矿收集采空区内的采空区的厚度、开采的方式、上覆岩层的岩性等基本参数，把其工况按上覆岩性分为:坚硬、中硬、软弱和极软弱等4种状况，进行计算，取得“三带”划分的范围。

由黄陵二号煤矿采区内煤层顶底板情况表可知：黄陵二号煤矿直接顶多以细粒砂岩与粉砂岩为主，厚度在13.8～22.6m，较为致密、坚硬。老顶以粉砂岩细粒砂岩为主，厚度在2.9～10.6m，以石英为主。根据煤系地层和各类岩石的力学性质，选择中硬岩性进行计算。

2.1 冒落带高度

冒落带的高度取决于煤层开采的厚度和上覆岩石的碎胀性，一般来说为冒落带的高度为采厚的3～5倍^[7-8]。本文选取209综采工作面作为研究对象。因上覆岩石主要是细粒砂岩和粉砂岩，按中硬岩层来计算，则可使用统计公式（1）：

（1）

式中：H_m—冒落带的高度，m。

M—开采煤层的厚度，m。

209综采工作面开采煤层平均厚度为3.0m，综采时一次采全高。则根据上式得冒落带高度H_冒=6.86～11.26m。

2.2 裂隙带高度

强度岩石计算则可使用统计公式（2）：

（2）

式中：H_L—裂隙带的高度，m。

m—开采煤层的厚度，m。

开采煤层的厚度按3.0m，则根据上式得裂隙带高度h =30.11～41.31m。

2.3 钻孔有效高度

根据采空区顶板岩层移动“三带”理论和采空区内瓦斯运移规律，有效的钻孔高度应位于裂隙带范围，故应满足式（3）：

H_m＜H_z＜H_l （3）

式中：H_m——冒落带的高度，m；

H_z——钻孔有效高度，m。

得到钻孔有效高度：

考虑到钻孔的有效利用及钻场施工的难易程度，钻孔应布置在冒落带上部与裂隙带中下部。结合R61地质钻孔柱状图，距离煤层顶板35m处有16m厚的粉砂岩，该岩层将会在一定程度上控制覆岩采动裂隙的演化及卸压瓦斯的储运。

3 高位裂隙钻孔设计及抽采效果

3.1 高位裂隙钻孔施工参数

209回风巷总计布置5个定向长距离高位钻场，有效覆盖长度1500m，钻孔设计参数如下：

表2 209回风巷定向长距离高位钻孔施工参数

3.2 钻孔抽采效果分析

统计分析了209综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采数据，见图1，根据统计数据分析可得出：

图1 209工作面钻孔瓦斯浓度随距离变化曲线图

1.钻场距离工作面约350m时，单孔瓦斯抽采浓度开始大幅上升，判定为钻孔末端开始进入采空区裂隙带内，开始有采空区瓦斯通过钻孔抽采出来。

2.钻场与工作面距离约340m时，所有钻孔瓦斯浓度趋于稳定，钻场内有7个钻孔瓦斯抽采浓度较高，最高单孔瓦斯浓度可达100%。

3.钻场与工作面距离约150m时，钻孔轨迹进入“爬坡段”，瓦斯抽采浓度开始逐渐下降，判定为钻孔最佳抽采段为150m～340m。

4.1#、2#、3#钻孔瓦斯抽采浓度明显低于其他钻孔，平均抽采浓度仅25.4%，通过钻孔施工参数分析，钻孔层位设计较低，钻孔与回风巷距离较近，下一步施工钻孔时，应调整参数。

3.2.1与普通高位裂隙带钻孔抽采效果对比

207综采工作面回采期间，采用普通钻机施工高位裂隙带钻孔，见图2，本次用207工作面相同区段的15#钻场进行对比分析可得出：

图2.15号钻场瓦斯抽采浓度情况

1 钻场距离工作面约105m时，单孔瓦斯抽采浓度开始缓慢上升，判定为钻孔末端开始进入采空区裂隙带内。

2 钻场与工作面距离约75m时，钻孔瓦斯浓度趋于稳定。钻场内有4个钻孔瓦斯抽采浓度最高维持在75%，相较于定向高位裂隙钻孔瓦斯浓度100%较低。

3 钻场与工作面距离约35m时，钻孔瓦斯抽采浓度开始逐渐下降，判定为钻孔最佳抽采段为35m～105m。

3.2.2与普通高位裂隙带钻孔瓦斯抽采纯量对比见图3，分析可得出：

图3 209工作面与207工作面抽采纯量曲线图

1 通过抽采系统瓦斯抽采纯量数据可看出，在推采相同距离情况下209定向高位抽采纯量数据线高于207高位抽采纯量。

2 经统计工作面推采1500m内，比普通高位瓦斯抽采纯量高出30%。

3 3工作面上隅角甲烷浓度情况

1 在定向高位裂隙抽采区域209工作面上隅角浓度上下浮动在0.22%～0.28%，回风流瓦斯浓度保持在0.18%～0.24%；

2 在普通高位裂隙抽采区域207工作面上隅角浓度上下浮动在0.26%～0.38%，回风流瓦斯浓度保持在0.24%～0.34%。

3 对比定向高位裂隙钻孔能够有效抽采采空区瓦斯，解决上隅角瓦斯超限问题，其抽采效果的好坏，直接关系到回风流及上隅角浓度是否超限等问题。

3.4 经济效益对比

定向高位钻场按照接替抽采，两钻可覆盖600m距离,施工钻孔量7180m；普通高位钻场，每600m施工十二个钻场，钻孔量18180m,在钻孔量方面定向钻孔施工量远小于普通钻孔；功效组织方面，定向钻孔施工效率40m/班，普通高位钻孔130m/班，施工600m范围内定向钻孔需用时180班次，施工600m范围普通高位钻孔需用时140班次，在施工效率方面定向高位钻孔处于劣势，主要原因209回风巷使用CMSI-4000LD定向钻机，该钻机功率较小设备老旧。

下步计划

在定向高位钻孔施工钻机采购方面需采购大功率型定向钻机钻机，以达到工程投入少、人员投入少的目的。

4 结论

（1）结合理论分析与现场钻孔施工实际情况，综合得出209综采工作面冒落带高度为6.86～11.26m；裂隙带范围约为30.11～41.31m。

（2）通过定向钻机施工高位裂隙钻孔，提高钻孔施工精准度，确保了钻孔运行轨迹。钻孔目标层位的延长，瓦斯抽采效果显著提升，为钻孔的高效抽采提供了基础保障。

（3）定向高位钻孔技术的使用有力的保障上隅角瓦斯弄浓度的控制能力，极大地提高矿井安全，符合应抽尽抽的瓦斯治理理念。

（4）通过理论分析、现场实际验证，形成了一套高位裂隙钻孔施工方案，此方案对二号煤矿二盘区综采工作面回风巷高位裂隙钻孔施工提供技术参考。

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