综采工作面高位钻孔瓦斯涌出规律研究.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：年陕西省自然科学研究项目（）；年陕西能源职业技术学院自然科学研究项目（）；陕西能源职业技术学院科研创新团队课题（）作者简介：孟然（），男，陕西西安人，讲师，硕士，年毕业于西安科技大学安全科学与工程专业，现从事矿井灾害防治与安全技术的教学与科研工作。引用格式：孟然，唐洪，韦钊，等 综采工作面高位钻孔瓦斯涌出规律研究 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）综采工作面高位钻孔瓦斯涌出规律研究孟然，唐洪，韦钊，郝苗，赵炬（陕西能源职业技术学院 煤炭与化工产业学院，陕西 咸阳 ；陕西彬长矿业集团有限公司工程研究中心，陕西 咸阳 ；西安科技大学 教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 ）摘要：为了提高综采工作面采空区瓦斯抽采效果，优化工作面高位瓦斯抽采钻孔布置方式，掌握高位钻孔瓦斯抽采规律对于确定高位钻孔终孔位置至关重要。通过对彬长矿区小庄煤矿 工作面高位钻孔的瓦斯抽采量、抽采浓度进行实时观测，分析高位钻孔瓦斯抽采量占工作面总涌出量的比例，在有效抽采段内，工作面各钻场的瓦斯抽采浓度呈现先增大后减小的变化趋势，高位钻孔抽采量与日产量 呈负相关关系，与日推进度 呈正相关关系。研究 工作面瓦斯涌出量与工作面高位钻孔瓦斯抽采规律，可为高位抽采钻孔的最佳布置层位优化提供实践基础。关键词：高位钻孔；煤矿瓦斯；钻孔布置；涌出规律中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，：；：煤层是一种孔隙、裂隙大量发育的多孔介质，当井下工作面开始回采后，采空区中的裂隙带煤岩层内会产生较大的弯曲变形、破坏，进而引起煤岩层中孔隙、裂隙的占比增大，为瓦斯在其中的渗流和运移提供了重要的途径 。因此，在煤矿井下瓦斯抽采钻孔布置工艺中，常常将钻孔布置在裂隙带内。在煤矿井下常采用高位钻孔进行瓦斯抽采，高位钻孔抽放采空区瓦斯是一种有效的技术措施 ，是在回 年第 期煤炭科技第 卷风巷向煤层中顶板适当位置施工一定数量的抽采钻孔，工作面开采过后的采空区冒落形成的裂隙带成了天然的瓦斯运移空间，在瓦斯抽放系统的作用下，裂隙带中的瓦斯会集中流向钻孔，从而对煤层中的瓦斯富集区进行抽采，以减少采空区瓦斯向工作面及上隅角涌出 ，降低瓦斯事故危险。彬长矿区以低透气性煤层为主，煤层透气性系数小于 ，因而存在瓦斯抽采难度大、抽采效果差的问题，常常造成采空区的瓦斯涌出现象，给煤矿井下安全生产带来较大风险。随着采煤工作面的回采作业，工作面上覆岩层的原始应力平衡出现破坏，导致应力重新分配，进而形成新的应力平衡 。在此期间，岩层会发生移动和破坏，并在竖直方向上形成“三带”，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，井下施工过程中，高位钻孔布置方式的合理与否，直接决定了煤矿井下瓦斯抽采效率的高低 。对工作面采空区瓦斯抽采情况进行现场监测，结合井下工作面瓦斯涌出规律，对裂隙带中高位钻孔的布置工艺进行设计和试验，从而提高采空区瓦斯抽采效率。工作面概况煤矿位于咸阳市彬县义门镇，井田面积 。矿井主采 号煤层，采用立井单水平开拓方式，布置主、副立井，白家宫进、回风立井。矿井通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式。综放工作面位于煤矿井田三盘区，走向长 ，宽 ，面积 。采用走向长壁综放顶采煤方法，全部垮落法控制顶板。开采平均厚度 ，割煤高度 ，放煤厚度 。工作面煤厚 ，底板标高 ，埋深 ，倾角 。高位钻孔布置参数及方式高位钻孔进行瓦斯抽采又称为顶板裂隙带瓦斯抽采，是通过在煤层顶板上设置特定长度的距离施工钻场，在钻场内向采空区上方施工一定数量的倾斜向上的钻孔形成不同的顶板裂隙，裂隙带在瓦斯抽采系统的作用下形成负压区，能使瓦斯沿着高位钻孔流动 ，改变了采空区内的瓦斯流场分布规律，从而达到降低采空区瓦斯涌出量的目的。其实质就是通过煤层冒落带、裂隙带、弯曲下沉带形成的压力场作用引导煤体中瓦斯流动速度提高，使采空区瓦斯不再通过回风侧煤壁进入回风巷 ，相应地降低了瓦斯在上隅角的积聚现象，达到杜绝瓦斯超限事故发生的目的，为煤矿井下安全生产创造了有利条件。高位钻孔抽采瓦斯效果取决于高位钻孔施工质量。钻孔的要求重点是终孔位置的确定 ，高位钻孔布置在顶板岩层的裂隙空间内，顶板裂隙钻孔抽采效果常常受抽采设备、管网系统、钻孔直径、钻孔层位和地质条件等多种因素的影响。高位钻孔常见的施工工艺有 种：倾斜钻孔和水平钻孔，只有准确选择钻孔位置，施工好钻孔长度、仰角、钻孔间距，才能确保施工效果优良，保证矿井瓦斯抽采效率达标。工作面走向长度为 ，在工作面共设计施工 个钻场（号）进行瓦斯抽放。在工作面回采过程中，对这 个钻场连续监测瓦斯抽采浓度、流量、负压以及相对应的工作面、上隅角、回风流中的瓦斯浓度。号钻场高位钻孔的施工，首先是观测工作面顶板岩层，选择钻场施工地点及回风巷高度；其次是计算出钻孔进入采空区的长度，确定出钻孔施工数量。设计在距离工作面切眼 处施工号钻场，钻场及钻孔布置如图 所示。图 号钻场及钻孔 年第 期孟然，等：综采工作面高位钻孔瓦斯涌出规律研究第 卷在钻场西侧帮部施工 个钻孔，开孔高度分别 、，其剖面如图（）所示，钻孔参数见表。表 号钻场钻孔布置参数 孔号 孔深 方位角（）仰角（）终孔位置平距 终孔位置垂距 注：终孔位置垂距指终孔位置距开孔点的垂距，下同。号钻场在距离工作面切眼 、处施工 号、号钻场，在钻场西侧帮部施工 个钻孔，开孔高度分别为 、，钻孔布置参数与 号钻场钻孔参数一致。号钻场高位钻孔抽采瓦斯最关键的是设计钻场的施工进度与工作面的回采速度的配合比，避免出现高位钻孔抽采瓦斯出现中断情况。设计 号钻场的施工位置位于高抽巷内 处巷道北侧帮部，如图 所示，在钻场西侧帮部施工 个钻孔，开孔高度分别为 、。号钻场钻孔布置参数见表 。在 回风巷对应位置施工 个钻孔，配套 套管安设阀门连管路进行瓦斯抽采。钻孔布置参数见表 。图 高抽巷钻场平面布置 号钻场在 回风巷距切眼 处施工 号钻场，号、号钻场分别位于距离切眼 、处，均为在钻场西侧帮部施工 个钻孔，个钻场开孔高度均为 、，钻孔布置参数与 号钻场钻孔参数一致。表 号钻场钻孔布置参数 孔号孔深 方位角（）仰角（）终孔位置平距 终孔位置垂距 表 高抽巷钻场套管钻孔布置参数 孔号孔深 开孔高度 高位钻孔瓦斯抽采效果分析 钻场及各钻孔瓦斯抽采浓度分析考虑到各钻场布置方式类似，重点分析 号钻场、号钻场、号钻场瓦斯抽采浓度变化情况。号钻场瓦斯抽采分析号钻场位于距离工作面切眼 处，是钻场卸压抽采孔，号钻场抽采浓度及各钻孔抽采浓度随推进距离变化的关系如图 、图 所示。由图 可以看出，号钻场中瓦斯抽采浓度随着工作面推进距离的增加呈现出指数式变化，即在工作面回采初期，瓦斯抽采浓度呈现出先增大后减小的变化趋势，当回采距离达到 时，号钻场抽采浓度达到最大值 ，此时回采工作面距离 号钻场开孔位置平距为 。开采初期处于瓦斯抽采钻孔作用范围内，钻孔为瓦斯在煤层中的充分流动提供了通道和场所，随着工作面回采距离的推进，逐渐到达 号钻场的报废点，号钻场失去抽采能力。由图 可以看出，号钻场中 号、号、号、号有 年第 期煤炭科技第 卷效钻孔数据较为充足，经对数据绘制分析，发现各钻孔瓦斯抽采浓度呈现先增大后减小的变化趋势，在推进距离为 左右时，钻孔瓦斯抽采浓度达到最大值，其中 号钻孔瓦斯抽采浓度为 ，此时煤层顶板平均压力达到最小值 。图 号钻场抽采浓度随推进变化 图 号钻场各钻孔抽采浓度随推进变化 号钻场瓦斯抽采分析号钻场位于距离工作面切眼 处，是钻场卸压抽采孔，号钻场抽采浓度及各钻孔抽采浓度随推进距离变化的关系如图 所示。图 号钻场及各钻孔抽采浓度随推进距离变化关系 在 号钻场有效抽采段内，随着回采工作面的推进，瓦斯抽采浓度整体呈现先增大后减小的趋势。号钻场距离切眼 ，瓦斯抽采浓度最大值出现在回采 左右，此时，抽采浓度为 ，回 年第 期孟然，等：综采工作面高位钻孔瓦斯涌出规律研究第 卷采工作面距离 号钻场开孔位置平距为 ，此后出现逐渐衰减现象。由图 （）（）可以看出，号钻场中钻孔瓦斯抽采浓度随着周期来压呈现规律性变化趋势，工作面应力平稳期间，瓦斯浓度也基本保持在一个水平波动 ，当应力骤降，各钻孔瓦斯浓度均有增加的趋势。表明工作面周期来压期间，工作面顶板下沉量和下沉速度加快，采空区范围不断扩大，煤体中孔裂隙大量发育，煤层中瓦斯解吸速度加快，瓦斯涌出量增多，引起区域瓦斯浓度增高。因此，在工作面回采期间，要加强顶板应力监测，掌握周期来压规律，发现应力异常现象应及时采取防治措施，同时要严格监测、分析瓦斯浓度的变化趋势，确保井下安全生产。号钻场瓦斯抽采分析将 号钻场施工在高抽巷内，并在回风巷相应位置上施工 个钻孔，安设阀门及抽采管路进行瓦斯抽采。号钻场抽采浓度随推进距离变化如图 所示。图 号钻场抽采浓度随推进距离和平距变化关系 号钻场连接高抽巷，通过数据采集及分析可以看出，号钻场瓦斯抽采浓度整体变化幅度较小，随推进距离的增加，其对 号钻场的瓦斯抽采效果整体影响较小。高位钻孔抽采量影响规律分析 工作面采用 套抽采工艺，高位钻孔抽采结合边采边抽，由 号抽采系统实施。年 月 日开始监测观察，到 年 月 日停止高位钻孔抽采，将统计得到的数据进行分析，高位钻孔瓦斯抽采量与工作面日推进度、日产量随时间的变化如图 所示。由图 可知，工作面高位钻孔瓦斯抽采量为 ，平均 。图 高位钻孔抽采量与日推进度、日产量随时间变化 ，高位钻孔瓦斯抽采量与工作面日产量、日推进度的关系如图 所示，由图 可知，工作面中高位钻孔瓦斯抽采量与工作面日产量、日推进度存在弱相关性。其中，高位钻孔瓦斯抽采量随着工作面日产量的增大而减小，随着工作面日推进度的增大而增加，关系式如式（）、式（）。分析弱相关性的原因，一是受到高位钻孔布置工艺影响；二是 工作面煤层透气性较差，也会影响到钻孔抽采效果。钻 （）年第 期煤炭科技第 卷钻 （）式中，钻为高位钻孔瓦斯抽采量；为日产量；为日推进度。图 高位钻孔抽采量与日产量、日推进度关系 结论（）在有效抽采段内，工作面各钻场的瓦斯抽采浓度呈现先增大后减小的变化趋势，在回采距离达到 时，号钻场抽采浓度达到最大值 ，此时回采工作面距离 号钻场开孔位置平距为 ；号钻场距离切眼 ，瓦斯抽采浓度最大值出现在回采 左右；号钻场随推进距离的增加，瓦斯抽采效果整体影响较小。（）高位钻孔抽采量与日产量 呈负相关关系，与日推进度 呈正相关关系，关系如下：钻 ；钻 。（）采空区高位钻孔抽采工艺可以有效降低采空区瓦斯涌出量，遏制工作面上隅角瓦斯浓度的上升，从而使矿井通风成本得到降低。针对低透气性煤层，采取煤层预裂措施增加透气性，可进一步提高煤层瓦斯预抽效果。参考文献（）：薛伟超，许幸福 倾长综放面快速回采瓦斯涌出及抽采效果分析 煤炭技术，（）：，（）：姚学庆，郭艳飞 基于钻孔应力法的巷道卸压带宽度考察研究 煤炭科技，（）：，（）：，贾晓亮 老厂矿区高位定向长钻孔“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究 矿业安全与环保，（）：，（）：许满贵，孟然，魏攀，等 软煤体孔隙结构及其分形特征研究 矿业安全与环保，（）：，（）：王志权 综放工作面采空区高位钻孔布置方法优选 煤矿安全，（）：，（）：孟然，赵丹，孟瑶，等 基于层次矩阵法的软煤体吸附瓦斯正交试验研究 陕西煤炭，（）：，（）：赵丹，王明玉，贾进章，等 马堡煤矿高位钻孔布置参数的优化分析 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（）：（下转第 页）年第 期煤炭科技第 卷 ，（）：王桂峰，窦林名，李振雷，等 冲击矿压空间孕育机制及其微震特征分析 采矿与安全工程学报，（）：，（）：，（）：姜福兴，杨淑华，成云海，等 煤矿冲击地压的微地震监测研究 地球物理学报，（）：，（）：，：，（）：，（），（）：，（）：，：，（），（）：高明仕，窦林名，张农，等 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