顶板定向长钻孔层位布置设计及瓦斯抽采效果分析

文摘 2025-01-08 22:00 安徽

导

读

近些年来，随着钻进设备以及钻进技术不断更新，定向长钻孔在水害防治、地质勘探以及瓦斯治理中应用呈增加趋势，将顶板定向长钻孔应用到回采工作面采空区顶板裂隙瓦斯抽采中，可达到减少采空区瓦斯涌出目的，同时具有钻孔有效段长度大、瓦斯抽采时间长优点。

结合以往研究成果，以山西某矿3206工作面瓦斯治理为工程背景，结合现场条件合理确定顶板定向长钻孔布置方案并分析瓦斯抽采效果。

工程概况

地质概况

山西某矿为设计产能180万t/a的现代化矿井，采用斜井+平硐开拓方式，矿井批准开采煤层包括有1#、2#、5#、7#及8#等，其中1、5#及7#煤层局部可采，2#、8#煤层全区可采。3206工作面设计走向长度为1156m、倾向斜长160m，设计采高为1.6m，采面采用U型通风方式，设计配风量为1550m³/min。采面回采的2#煤层厚度均值1.5m、倾角2°~6°，煤层顶底板岩性以粉砂岩、泥岩以及砂质泥岩为主，具体岩性参数，如图1所示。2#煤层原始瓦斯含量为9.35m³/t，2#煤层上覆5.5m的1#煤层原始瓦斯含量为10.9m³/t，2#煤层下覆11m位置的3#煤层原始瓦斯含量为13.2m³/t。

图1 2#煤层顶底板岩性

采面瓦斯涌出情况

3206工作面回采后会对煤层顶底板产生影响，在采空区上覆由下到上会形成垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带，而在煤层底板也会形成采动裂隙并引起下覆煤层卸压。2#煤层回采后会引起1#煤层（上覆5.5m）及3#煤层（下覆11m）裂隙发育，导致大量的卸压瓦斯涌出，实测发现3206工作面回采期间绝对瓦斯涌出量在23.97m³/min，其中本煤层、上邻近层及下邻近层瓦斯涌出量分别为10.32、5.91、7.74m³/min，邻近层瓦斯涌出量占比达到56.95%。

在3206工作面采面通风负压以及瓦斯密度较轻等因素影响下容易在3206工作面采空区及上覆裂隙中积聚，具体瓦斯流动示意图，如图2所示。

图2 瓦斯流动示意图

采空区内大量高浓度瓦斯在通风影响下容易从回风隅角位置涌出，从而导致回风隅角、回风流瓦斯超限。在顶板布置定向长钻孔后可拦截采空区瓦斯涌出，从而降低采空区瓦斯涌出量，有助于降低回风隅角瓦斯浓度。

顶板定向长钻孔瓦斯抽采应用

顶板定向长钻孔布置位置确定

3206工作面煤炭回采后，回采隅角瓦斯来源包括有本煤层采空区瓦斯、上下邻近层卸压瓦斯，同时在采面回采过程中顶板垮落、压实等也会影响瓦斯流场。为保障顶板定向长钻孔瓦斯抽采效果，钻孔在水平方向上应避免布置在顶板裂隙压实区，竖向方向上应尽量布置在靠近回风巷的顶板裂隙带，通过抽采负压对采空区瓦斯进行抽采，从而实现采空区瓦斯涌出有效拦截目的。

钻孔高度确定

定向长钻孔在顶板内布置高度H应在垮落带H_m、裂隙带H_l之间，具体计算公式（1）和公式（2）为：

3206工作面设计采高为1.6m，则回采后顶板垮落带H_m=3.8~8.2m、裂隙带H_l=20.4~31.6m，即高位定向长钻孔合理层位应在煤层顶板上覆8.2~31.6m范围内。

水平位置确定

顶板定向长钻孔布置水平位置应靠近采面回风巷且避开采空区顶板重新压实区，具体水平位置S应满足下述要求，如公式（3）所示：

式中：S₁为顶板未卸压区水平距离，m；S为定向长钻孔与回风巷间水平距离，m；S₂为顶板重新压实区边界与回风巷间水平距离，m。S₁及S₂计算公式（4）和公式（5）分别为：

综合公式（3）（4）及（5）可得：

其中：H为顶板定向长钻孔布置高度，取值8.2~31.6m；α为回采的2#煤层倾角，取值4°；β为煤层覆岩卸压角，取值65°；L为采面斜长，取值160m。经计算求得定向长钻孔与回风巷间水平距离应控制在3.15~53.33m范围内。

工程应用

综合定向长钻孔布置位置理论计算结果以及2#煤层上覆岩层层位、厚度等，将定向长钻孔布置在煤层上覆13.2m的砂质泥岩层中；为确保钻孔位于顶板卸压区，将钻孔布置在与回风巷间距15~35m位置。现场施工时，在3206回风巷按照300m间隔布置一个规格：长×宽=5.0m×3.4m的钻场，在钻场内布置5个孔径153mm、孔深350m的定向长钻孔，具体钻孔布置参数如表1所示；定向长钻孔布置图如图3所示。

表1 定向长钻孔布置参数

图3 定向长钻孔布置示意图

顶板定向长钻孔瓦斯抽采效果

定向长钻孔接抽后，记录采面回采期间顶向长钻孔抽采瓦斯纯量、回风隅角瓦斯浓度，具体结果如图4所示。

图4 瓦斯抽采效果

从图4中可以看出，随着定向长钻孔在采空区内延伸距离不断增加，定向长钻孔瓦斯抽采纯量呈现先增长、稳定以及衰减变化趋势，其中增长段、稳定段及衰减段长度分别为45、210、45m，稳定段长度较长；邻近的钻场定向长钻孔间有50m重叠距离，可有效覆盖增长段、衰减段范围，实现采空区瓦斯涌出有效拦截；在稳定段内钻孔瓦斯抽采纯量稳定在5~6m³/min，钻孔瓦斯纯量波动较小；在顶板定向长钻孔抽采期间，采面回风隅角位置瓦斯体积分数稳定在0.3%~0.5%间，瓦斯浓度整体较小，表明现场布置的顶板定向长钻孔可实现采空区瓦斯有效拦截，确保回风隅角瓦斯浓度在安全范围内。

结语

为实现3206工作面采空区瓦斯涌出有效拦截、减少回风隅角瓦斯浓度，结合采面现场情况采用理论计算方法确定定向长钻孔高度与水平位置，具体高位定向长钻孔合理层位应在2#煤层顶板上覆8.2~31.6m范围内，水平方向上与回风巷间水平距离应控制在3.15~53.33m。

结合3206工作面顶板覆岩情况以及以往高位钻孔布置经验，具体将定向长钻孔布置在2#煤层上覆13.2m的砂质泥岩层、与回风巷间距控制在15~35m，并具体给出定向长钻孔布置方案。现场应用后，顶板定向长钻孔瓦斯抽采呈现增加、稳定及衰减变化趋势，且稳定阶段持续距离较长；瓦斯抽采后回风隅角瓦斯浓度稳定在0.3%~0.5%间且波动较小，瓦斯浓度在安全范围内。

推文来源

[1]辛宗泽.顶板定向长钻孔层位布置设计及瓦斯抽采效果分析[J].山西化工,2024,44(11):209-211.

参考文献

[1]魏宏超. 高位定向长钻孔替代高抽巷瓦斯抽采技术应用研究[J]. 煤炭技术，2023，42（6）：175-178.

[2]仵鹏飞. 高位定向长钻孔在综放工作面顶板裂隙瓦斯抽采中的应用研究[J]. 山西化工，2023，43（4）：135-136.

[3]窦志明. 自燃煤层高位抽采钻孔参数优化与应用[J]. 江西煤炭科技，2023（2）：170-172.

编辑丨张凯重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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