瓦斯学术：定向长钻孔抽采采空区卸压瓦斯相关研究进展

看点导读

       采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法，其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。针对定向长钻孔，其自身结构及布置抽采有其特殊性，对于其在长壁开采覆岩中布置抽采位置的确定，多数以试验模拟和现场经验为依据，相关的理论分析方法尚不清晰。因此，研究定向长钻孔的位置特征，阐述其抽采机理，进而确定钻孔在采动覆岩中的布置抽采位置，是实现钻孔稳定、高效抽采卸压瓦斯的关键。本期瓦斯学术分享郭文兵教授团队关于定向长钻孔抽采采空区卸压瓦斯的相关研究，希望给广大读者带来启发和收获。

推荐文献：

[1] 郭明杰，郭文兵，袁瑞甫，等. 基于采动裂隙区域分布特征的定向钻孔空间位置研究[J]. 采矿与安全工程学报，2022，39(4)：817−826.

[2] 郭明杰，郭文兵，赵高博，等. 长壁开采覆岩内水平定向长钻孔位置特征与卸压瓦斯抽采机理[J]. 煤炭学报，2023，48(10)：3750−3765.

拓展文献：

[1] 工作面覆岩采动裂隙演化规律物理及数值模拟研究. 王婉洁;高富强.采矿与岩层控制工程学报,2023(02)  

[2] 林海飞，杨二豪，夏保庆，等. 高瓦斯综采工作面定向钻孔代替尾巷抽采瓦斯技术[J]. 煤炭科学技术，2020，48(1)：136−143.

[3] 李宏，马金魁. 大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析[J]. 煤炭科学技术，2020，48(7)：304−310.

摘    要

采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法，其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。以焦煤古汉山矿16031工作面为工程背景，采用物理相似模拟、理论分析和现场试验的方法分析了覆岩采动裂隙分区演化特征及不同层位定向钻孔的稳定性，在对覆岩裂隙分布进行区域划分的基础上，确定了结构裂隙区(上山侧)为布置瓦斯抽采定向钻孔的最佳区域，进而给出了区域内的核心布置范围，并推导了结构裂隙区空间位置边界理论计算公式。通过现场工程试验测试，结果表明:从各定向钻孔抽采数据判定的相应区域边界与理论计算公式相符，布置于结构裂隙区核心位置范围内的定向钻孔对采空区卸压瓦斯进行了有效抽采，其单孔瓦斯抽采纯量最高可达5.5 m³/min，验证了理论界定结构裂隙区空间位置边界及确定定向钻孔布置核心范围的实用性与合理性。研究成果对矿井预防瓦斯灾害事故、实现瓦斯高效抽采具有重要实际意义。

河南能源化工集团焦煤古汉山矿16031工作面开采煤层为二叠系山西组二1 煤，煤层倾角12°，采用走向长壁分层开采，走向长600m，倾斜长155m，开采厚度3m，平均埋深650m。工作面部分煤岩物理力学参数见表1。以此工作面地质采矿条件为背景，通过模拟试验分析覆岩采动裂隙分区演化特征，不同层位定向钻孔稳定性等。

表1 煤岩物理力学参数

模型设计沿走向开采，几何相似比1 ∶ 50，模拟至煤层顶板第九层泥岩，模型顶部施加未模拟的上覆岩层自重应力0.18MPa。位移测点布设9排25列。定向钻孔全长布设5条，采用特制的半圆形木条在模型构建时提前埋设，待模型挡板拆除后将木条抽除形成定向钻孔。钻孔分别距煤层顶板3、15、25、35和45m。模型表面整体涂白，并将钻孔进行着色处理。模拟开采长度85m，开采高度3m。

图1 “竖三带”裂隙演化特征

图2 “竖三带”离层率分布曲线图

图3 横向裂隙分布及“横四区”划分

图4 “横四区”离层率分布曲线图

图5 结构裂隙区内定向钻孔稳定性模拟

图6 覆岩采动裂隙带区划分及定向钻孔布置

“竖向上”界定的区域边界定义为距煤层顶板的距离，分为下界面(H_x ) 和上界面( H_s )。“横向上”界定的边界定义为距临近侧煤柱的水平距离，分为外界面(L_w ) 和内界面(L_n ) 。由于区域呈环形，因此，需对走向和倾向两个方向的外、内界面进行界定。走向方向内、外界面分别表示为L_nz、L_wz，倾向方向内、外界面分别表示为L_nq、L_wq。

（1）下界面H_x高度:

（2）上界面H_s高度：

（3）煤柱水平距离L_wz (走向)和L_wq (倾向)可表述为：

（4）煤柱水平距离L_nz (走向)和L_nq (倾向)可表述为:

图7 钻孔成孔倾向剖面图

图8  1～5#钻孔瓦斯抽采纯量

图9 不同时刻巷道冲击力云图

摘    要

长壁采空区卸压瓦斯抽采是煤矿绿色开采技术体系中煤与瓦斯共采的重要组成部分，在覆岩内布置水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯近年来应用较多；与高抽巷、普通高位钻孔不同，其在采动覆岩内布置抽采时，对覆岩破坏及瓦斯运移的响应与敏感性具有显著的特殊性。通过理论分析、数值模拟与工程实例验证等方法研究了采动覆岩内水平定向长钻孔的位置特征与卸压瓦斯抽采机理。阐述了水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯的技术原理，结合室内试验、数值模拟分析了水平定向长钻孔的3个位置特征：① 钻孔布置位置区域瓦斯积聚程度高，为钻孔抽采瓦斯提供浓度条件；② 钻孔布置位置区域裂隙较为发育，为钻孔抽采提供瓦斯源保障；③ 钻孔布置位置区域岩层受采动影响较小，为钻孔提供稳定性条件。在此基础上，从采动裂隙内瓦斯积聚程度、采动岩层渗透率和采动钻孔稳定性3个方面揭示了水平定向长钻孔布置抽采机理，提出了水平定向长钻孔的位置判据，给出了确定钻孔抽采位置的方法流程，并通过数值模拟、工程实例进行了合理性验证。研究结果表明：依据钻孔位置判据进行钻孔布置抽采的最大瓦斯抽采纯量达2.59 m³/min，为其他对比钻孔的2.56倍；在定向长钻孔抽采作用下，回风巷最大瓦斯体积分数为0.11%～0.72%，风排瓦斯量为0.69～2.79 m³/min，验证了按照钻孔位置确定方法进行钻孔布置抽采的合理性。研究成果可对矿井布置水平定向长钻孔抽采采空区卸压瓦斯提供技术依据，进而提高矿井卸压瓦斯抽采率、促进煤矿绿色开采技术发展。

定向长钻孔抽采治理采空区卸压瓦斯技术原理为：工作面开采前，利用当前先进的长距离定向钻进技术及装备，在煤层顶板沿水平施工定向长钻孔，钻孔除开口段外，其余为裸孔施工，并根据工作面采空区卸压瓦斯抽采需要，长度通常为100～1 000 m；随着工作面开采推进，水平钻孔保持位于稳定的采动覆岩裂隙区域，在钻孔抽采负压和瓦斯扩散、渗流作用下，工作面上隅角和采空区内卸压瓦斯会向钻孔源源不断汇入，并经由钻孔抽出，实现卸压瓦斯抽采治理的目的，如图10所示。

图10  定向长钻孔抽采工作面及

采空区卸压瓦斯

图11  采空区瓦斯分布

图12 采动覆岩裂隙发育特征

图13 采动覆岩“三带”内钻孔稳定性特征

图14 定向长钻孔布置抽采三维示意

现定义定向长钻孔位置判据用C_e表示，其可分解为采动裂隙内瓦斯积聚程度R_a、采动岩层渗透率R_p和采动钻孔稳定性R_s 三个因素指标，具体计算公式可表达为

通过定量分析定向长钻孔在采动覆岩中的3个方面位置特征，可得到钻孔位置判据的3个因素指标，进而可从判据值的大小确定钻孔的布置位置次序，实现钻孔的有效布置抽采。

图15 数学模型坐标

图16 裂缝带第一破断岩层“砌体梁”结构

图17 定向长钻孔位置确定方法流程

图18 结构裂隙区块段划分及

钻孔位置(倾向剖面)

图19  断裂带内上、中、下部岩层中间

层位渗透率分布

表2 各层相邻破断岩块间断裂裂隙面积与钻孔

相对稳定性指标

图20 各块段位置布置钻孔的判据值

图21 双钻孔布置采场几何模型

图22 双钻孔布置模型网格划分

图23 钻孔抽采瓦斯分布倾向切面云图

图24  钻孔抽采瓦斯分布走向切面云图(y=34 m)

图25 钻孔成孔倾向剖面

图26 钻孔抽采瓦斯数据

图27 回风巷瓦斯监测数据