坚硬顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用研究.pdf

科学管理 236 2023年第9期通过对回采工作面的瓦斯来源进行分析，发现主要来自于煤壁、落煤和邻近层，其中，占比最大的是邻近层瓦斯。在煤层群或者是煤层分层开采环节，临近层、分层和岩层中的瓦斯容易借助裂缝不断向采空区涌入，此后，由于受到采取取流场的影响，瓦斯逐渐向工作面以及上隅角涌入。通常情况下，对于长壁采煤工作面邻近层而言，此处的瓦斯涌出量在工作面瓦斯总量中的占比约为 30%40%，较多的情况下甚至能够达到 70%80%，由于瓦斯不断涌入，容易使工作面上隅角瓦斯出现超限现象，进而产生被迫停业等问题的产生，更有甚者还会出现恶性事件，引发人员伤亡和经济损失。在治理高瓦斯和回采工作面采空区的瓦斯时，通常需要采用仰角高位裂隙钻孔、高抽巷和顶板定向长钻孔等。其中，对于仰角高位裂缝钻孔而言，这种措施具有效率高、工作速度快等优势，但也伴随着利用率低、工程量大以及服务时间段等问题；通过对高抽巷进行分析，该治理措施具有抽采浓度高和抽采量大风特点，而施工费用高、工期长等属于该治理措施的劣势。顶板定向长钻孔具有抽采量大、施工周期短、抽采浓度高、钻孔有效服务期长等优点，同时可取代高抽巷进行采空区瓦斯治理。本文以贺西矿3413工作面进行了顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术应用，并进行充分的技术研究，以保证矿井的安全回采。1 工作面概况贺西矿井3413 综采工作面为4#煤第三个综采工作面。巷道走向布置，运、回两巷方位190，长度分别为979.1m、1007.5m，切眼长度170m。煤层厚度变化较大，局部煤层变薄，煤层厚度 2.84.3m，煤层强度系数0.51.0左右，工作面煤层瓦斯含量 2.14.8m3/t，预测回采期间工作面绝对瓦斯涌出量1824m3/min。工作面采用“U”型通风方式，工作面配风量 1200m3/min。2 工作面瓦斯治理现状分析工作面回采期间采用“本煤层预抽钻孔+仰角高位裂隙钻孔抽放+上隅角埋管”瓦斯治理措施，由于仰角高位裂隙钻孔孔径小、钻孔层位随工作面推进不断变化，有效服务期短；上隅角埋管抽采管路投入大，只能解决局部瓦斯，不能从根本上进行治理。因此工作面回采过程中上隅角瓦斯浓度出现异常增大，不利于工作面安全生产。贺西矿决定在3413工作面采用顶板定向长钻孔治理采空区瓦斯。3 顶板定向长钻孔技术方案3.1 顶板定向长钻孔层位布置分析在工作面采空区瓦斯治理过程中，有效布置顶板定向长钻孔层位布置具有重要作用，若所布置的层位比较低，钻孔容易出现在冒落带范围，此时容易产生抽采浓度低和混量大的问题；反之，钻孔会处于弯曲下沉带，容易产生抽采浓度高、混量小和裂隙发育不充分等现象，进而无法有效治理上隅角瓦斯。在这种情况下，需要在裂隙带布置钻孔，且该层位岩体裂隙发育，在抽采的过程中，岩层垮落不容易对钻孔产生破坏，抽采有效服务期较长，可保证持续对采空区进行抽采。3.2 顶板定向长钻孔布置层位设计依据3.2.1 垮落带高度计算 公式1和公式2计算：（1）h1=（12）M （2）计算结果垮落带高度为2.57m。3.2.2 裂隙带高度计算 （3）坚硬顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用研究董林强山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿 山西 吕梁 033000摘要：为解决工作面回采时瓦斯大量涌出制约高产高效的难题，本文以贺西矿3413工作面为工程背景，通过分析工作面瓦斯赋存条件及瓦斯来源，瓦斯来源主要以采空区和下邻近层为主。因此，需要对内错距离、负压、钻孔层位和孔径等参数进行分析，有效确定采空区瓦斯。分析回采数据发现，顶板定向长钻孔垂高1518m，钻孔控制工作面宽度45m处呈现出来的抽采效果最佳。在顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术应用的过程中，呈现出来的日产量明显增高，发现上隅角瓦斯浓度从0.72%下降到0.4%，能够满足采空区瓦斯治理需求，确保了工作面安全、高效回采。关键词：坚硬顶板 以孔代巷 定向长钻孔 瓦斯抽采 237 科学管理2023年第9期 （4）计算结果裂隙带高度为2330m。根据上述，计算结果垮落带高度为 2.57m；计算结果裂隙带高度为 2330m。3.2.3 上保护层对顶板定向长钻孔层位影响（1）保护层工作面沿倾斜方向的保护范围应当 根据卸压角划定，如图2所示，卸压角参考表 3 的数据，卸压角3=75，4=75。A保护层；B被保护层；C保护范围边界线图2 保护层工作面沿倾斜方向的保护范围（2）3#煤层对4#煤层垂距影响上保护层的最大保护垂距：（公式 5）根据计算结果，上保护层对下保护层垂距影响为58.8m。3.2.4 钻孔布置层位确定 3413工作面上邻近层3#煤层工作面已回采完毕，3#煤层与4#煤层层间距 1927m，3#煤层上保护层开采影响垂距为 58.8m，顶板定向长钻孔布置层位在上保护层开采影响范围内，为避免钻孔在施工过程中受采动压力影响，造成孔内事故，钻孔最大布置层位与3#煤层采空区留设 3m 以上安全间距，因此，顶板定向长钻孔终孔层位布置在4#煤层顶板向上 1518m。3.3 顶板定向长钻孔内错距离设计依据研究表明，顶板定向长钻孔控制范围一般为工作面宽度的三分之一，结合采用经验公式走向顶板定向长钻孔与回风巷水平投影距离可以依据 6 公式来计算。S=H-（B+H cos）tansin+（B+H cot）/cos （6）式中：S定向瓦斯抽采钻孔位置与回风巷水平距离，m；H定向瓦斯抽采钻孔距5号煤层垂直距离，1518m；B定向瓦斯抽采钻孔距“O”形圈外边界的距离，一般2030m；煤层倾角，平均1.5左右；裂隙边界与开采边界的连线与煤层夹角。通过对煤层顶板裂隙带和冒落带高度理论计算 和工作面顶板垮落“O”型圈原理分析，同时考虑钻孔投影平距的影响，本次设计顶板定向长钻孔平面投影距离内错回风巷 1545m。3.4 单孔抽采混量、负压设计依据3.4.1 单孔抽采混量计算 单孔抽采混合流量计算：Q=V 60 3.14 r 2 （7）式中：Q钻孔的抽采流量，m3/min；V钻孔的流速取10m/s15m/s；r直径钻孔的半径，m。根据公式计算120mm、165mm、203mm 钻孔单孔抽采混量如表 4。3.4.2 单孔抽采负压计算 按照钻孔孔深 500m，钻孔摩擦阻力、局部摩擦阻力和抽采负压根据以下公式计算：Hz=9.8LQ2/k0D5 （8）H 局=0.15Hz （9）总摩擦阻力：H=Hz+H局+H孔口负压（公式10）根据对不同钻孔孔径抽采负压计算，为确保回采工作面瓦斯治理效果，钻孔长度在 500m 时，抽采支管路负压不低于15Kpa。3.6 顶板定向长钻孔设计1 号、2 号钻场分别布置 5 个钻孔，其中 2#、3#、4#钻孔孔径为 120mm，1#、5#钻孔孔径为 165mm，钻孔内错回风巷 045m，1#钻孔布置在巷道内顶板，2-5#钻孔布置在钻场内；钻孔距煤层顶板垂高1518m，合计工程量 4881m，钻孔设计详细参数见表 6，钻孔设计平面图见图 5、剖面图见图 6。4 顶板定向钻孔施工情况1#钻场2021年11月14日开始施工，至2021年12月27日完工，施工工期44天，由于工作面推进位置已到钻孔孔底位置，共施工4个钻孔。2#钻场2022年1月7日开始施工，至 2022年2月8日完工，施工工期33 天，共施工 5 个钻孔（钻孔施工情况统计表见表 7，1 号钻场钻孔施工轨迹平、剖面图见图 5，2 号钻场钻孔施工轨迹平、剖面图见图。图1 顶板定向钻孔剖面图科学管理 238 2023年第9期5 顶板定向长钻孔抽采效果分析5.1 顶板定向长钻孔抽采数据统计为了考察顶板定向长钻孔瓦斯抽采效果，统计了1号和2钻场钻孔随工作面回采期间的负压、浓度和抽采混量等抽采参数。5.2 抽采效果与工作面回采期间上隅角瓦斯浓度关系分析（1）1#钻场抽采效果与工作面回采期间上隅角瓦斯浓度分析工作面回采初期，由于顶板定向长钻孔未施工到位，工作面上隅角瓦斯浓度 0.6%左右，1#钻场连抽后采空区抽采所占比例逐步升高，上隅角瓦斯浓度持续下降，上隅角瓦斯浓度控制在 0.3%0.38%左右，随着工作面周期来压，顶板全部跨落，顶板裂隙发育充分，抽采通道增大，上隅角浓度逐步下降。（1#钻场抽采纯量与工作面上隅角关系图见图 11）图11 1 号钻场抽采纯量与工作面回采期间上隅角瓦斯浓度关系图（2）2#钻场抽采效果与工作面回采期间上隅角瓦斯浓度分析 2#钻场钻孔连抽后，工作面已回采至一半，采空区区域较大，随着顶板周期来压顶板裂隙发育充分，抽采通道形成，采空区抽采量增大，较工作面绝对瓦斯涌出量所占比例进一步提高，占比为64.02%，上隅角瓦斯浓度保持在0.4%以下，工作面安全生产得到有效保障。（2#钻场抽采纯量与工作面回采期间上隅角瓦斯浓度关系图见图 12）5.3 钻场抽采情况分析（1）1#钻场抽采情况分析 1#钻场抽采期间，通过对 3413 工作面绝对瓦斯进行测量，发现涌出量为 16.77m3/min，对于本煤层抽采涌出量而言，在工作面的绝对瓦斯涌出量的占比中能够达到17.89%；通过对1#钻场4个顶板定向长钻孔进行分析，在工作面的绝对瓦斯涌出量的占比中占比值为56.35%，风排比重占比为25.76%。通过有效应用顶板定向长钻孔抽采方法之后，风排瓦斯量仅为2.88m3/min，此外，发现上隅角瓦斯浓度也出现变化，浓度值从0.7%下降到 0.3%0.4%之间，此外通过分析回风流瓦斯浓度，发现浓度由 0.5%降至0.36%，采用这种治理措施能够解决上隅角瓦斯问题。（2）2#钻场抽采情况分析 通过对 2#钻场抽采情况进行分析，对3413工作面绝对瓦斯涌出量测量发现，瓦斯量涌出量达到18.29m3/min，通过分析本煤层抽采量，发现在工作面绝对瓦斯涌出量中的占比为 13.67%；而在风排量占比分析中，占比能够达到 22.31%；有效采用顶板定向长钻孔抽采后，发现呈现出来的抽采量占比为64.02%，此外，研究工作面上隅角瓦斯浓度发现，其浓度值保持在 0.4%以下，采用这种方式有效解决了上隅角瓦斯问题。6 结束语通过对 3413 工作面回采期间瓦斯涌出量统计分析，工作面采空区占瓦斯涌出量的 60%左右，工作面瓦斯来源主要为采空区和下邻近层瓦斯，因此采空区瓦斯治理是工作面瓦斯治理的重点。通过对顶板定向长钻孔的布置参数进行分析、确定，并进行抽采效果分析，最终得出：（1）顶板定向长钻孔垂高布置在 1518m，距回风巷水平内错距 045m 是合理的；（2）顶板定向长钻孔孔径在120mm165mm，抽采负压在 15KPa 以上，抽采效果能够满足工作面瓦斯治理需要。参考文献1 王文彬，张军义，王露.煤层顶板裂隙高位定向长钻孔安全高效抽采技术的研究与应用 J.中州煤炭，2020，42（12）：65-70.2 苏伟光.矿井坚硬顶板定向水力压裂卸压技术研究 J.中国化工贸易，2020，12（30）：89，91.