姚學(xué)慶

（河南能源化工集團(tuán)焦煤公司，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著綜合機(jī)械化采煤方法推廣力度的加大，工作面推進(jìn)速度較快、產(chǎn)量高，工作面瓦斯涌出越來(lái)越大，回風(fēng)流特別是上隅角瓦斯超限時(shí)有發(fā)生，對(duì)礦井安全生產(chǎn)和作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)了巨大的隱患，特別是2017年，河南省下發(fā)了《河南省煤礦瓦斯防治補(bǔ)充規(guī)定》，進(jìn)一步要求：回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量不能大于5m3/min[1]，這對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采提出了更高的要求。

焦作礦區(qū)近年來(lái)主要采取插管抽采[2-3]和高位孔[4-5]的辦法治理采空區(qū)瓦斯。前者存在抽采濃度低、效果差的缺點(diǎn)，后者存在有效抽采鉆孔長(zhǎng)度短，鉆孔利用率低的缺點(diǎn)。在千米定向鉆機(jī)施工裝備和技術(shù)日益成熟的情況下，為施工定向高位孔提供了可靠的設(shè)備保障，研究高位鉆孔的合理布置層位，施工有效的定向長(zhǎng)鉆孔可以大幅度提高高位抽采鉆孔的利用效率，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)抽采瓦斯穩(wěn)定、連續(xù)、可利用，杜絕上隅角瓦斯超限，實(shí)現(xiàn)安全高效回采，充分保障職工生命安全。

1 工作面概況

古漢山礦16031工作面平均走向長(zhǎng)596m，傾向長(zhǎng)157m，煤厚平均5.5m，采高3.0m，地面標(biāo)高+96.7～+100.4m，工作面標(biāo)高-520.5～-574.9m。煤層以硬煤為主，下部有一層軟煤，厚0.5～1m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，老頂為細(xì)砂巖，底板為泥巖。煤層原始瓦斯含量為25.08m3/t，煤層原始瓦斯壓力為1.07MPa。采用穿層和順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，經(jīng)過瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判后開始回采，采用綜采分次開采和綜采走向長(zhǎng)壁后退采煤法。

2 采場(chǎng)覆巖裂隙演化模擬

數(shù)值模型建立以16031工作面為工程背景，模型的走向長(zhǎng)度為600m，高度為90m，模擬工作面的采深650m。模型中煤層厚度為6m，直接頂為砂質(zhì)泥巖厚度為5m，老頂為細(xì)砂巖厚度為8m。對(duì)厚煤層分層開采進(jìn)行模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開采狀況，煤層總厚度為6m，一次開采厚度3m。為消除模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，模型左右兩側(cè)各留有40m煤柱。

圖1 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)節(jié)理裂隙分布圖

采場(chǎng)覆巖裂隙演化過程如圖1所示，工作面在采動(dòng)期間，工作面上覆巖層受采動(dòng)影響大致會(huì)經(jīng)歷三個(gè)損傷階段，其中包括細(xì)小裂隙的始發(fā)階段、裂隙擴(kuò)張階段以及宏觀裂隙溝通階段。如圖1所示，工作面推進(jìn)到距切眼20m距離時(shí)，工作面上部裂隙開始萌發(fā)，裂隙位置基本位于直接頂層位，以層狀裂隙為主，工作面頂板未發(fā)生破斷；工作面推進(jìn)40m時(shí)，隨著老頂?shù)某醮螖嗔?，裂隙貫穿老頂至煤層頂板以?0m，工作面上方裂隙區(qū)以水平裂縫和垂直裂縫為主；工作面回采到距離切眼50m時(shí)，裂隙區(qū)延伸到頂板上部40～45m區(qū)域，延伸的裂隙主要是水平裂隙，裂隙區(qū)在工作面走向上基本沒有改變；推進(jìn)到距切眼60m位置時(shí)，裂隙帶高度基本不再向上部擴(kuò)展，繼續(xù)維持在40～45m高度，約為采高的12倍，裂隙帶沿煤層走向隨著周期來(lái)壓不斷向前發(fā)展。工作面推進(jìn)到距切眼90m位置時(shí)，工作面后面采空區(qū)已壓密，裂隙發(fā)育程度變小，裂隙區(qū)高度不會(huì)發(fā)生改變[6]。

在整個(gè)回采過程中，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層的裂隙密度有一個(gè)增加和再減小的階段。走向上，工作面上覆巖層的裂隙演化可分為3個(gè)帶：切眼的永久裂隙帶，工作面采空區(qū)裂隙壓密帶和工作面上方的動(dòng)態(tài)裂隙發(fā)育帶，永久裂隙帶穩(wěn)定在切眼周圍，工作面回采過程中，裂隙壓密帶也隨之增大，動(dòng)態(tài)裂隙帶隨工作面的回采持續(xù)向前推移[6]。隨著采高的增大，冒落帶是逐漸升高的，在采高3m的情況下，冒落帶高度大約在12m左右。

3 高位孔設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，為了進(jìn)一步考察16031工作面最合適的層位，設(shè)計(jì)并施工5個(gè)高位長(zhǎng)鉆孔，使用ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)施工定向鉆孔。鉆孔終孔位置位于16031回風(fēng)巷下幫8m～28m，距煤層頂板26m～41m處，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，平面和剖面見圖2。

表1 工作面高位定向長(zhǎng)鉆孔布置參數(shù)

圖2 工作面高位定長(zhǎng)向孔施工平面和剖面圖

4 抽采曲線分析

定向高位孔施工連抽后，抽采效果較好，為更方便分析，現(xiàn)將5個(gè)高位鉆孔的抽采濃度、混量、純量以鉆孔終孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)分別作圖，并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

圖3 工作面1號(hào)高位定向長(zhǎng)孔抽采曲線圖

如圖3所示，1號(hào)定向高位孔在進(jìn)入采空區(qū)16m后瓦斯抽采濃度、混量及純量均開始顯著提高，主要原因是工作面切眼后16m處頂板開始垮落，上覆巖層形成了裂隙帶，鉆孔開始進(jìn)入裂隙帶瓦斯富集區(qū)內(nèi)，隨著工作面推進(jìn)，鉆孔進(jìn)入裂隙帶內(nèi)的長(zhǎng)度不斷增加，抽采效果開始持續(xù)升高，在達(dá)到一定峰值后開始保持。隨著抽采時(shí)間增加，采空區(qū)深部的瓦斯量逐漸減少，處于深部的瓦斯?jié)舛冉档?，造成鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛乳_始降低，但隨著鉆孔長(zhǎng)度增加及裂隙帶逐漸向高處擴(kuò)展，混合流量不斷增加，純量則總體保持平衡。

圖4 工作面2號(hào)高位定向長(zhǎng)孔抽采曲線圖

如圖4所示，2號(hào)定向高位孔未進(jìn)入采空區(qū)抽采濃度就已經(jīng)很高，但流量相對(duì)較低，主要原因是煤層上方巖層受采動(dòng)影響，產(chǎn)生了少量裂隙，此時(shí)高位孔抽采的主要是煤體上覆巖層裂隙內(nèi)少量瓦斯。隨著鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，抽采濃度有小幅回落，進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)24m后，濃度及抽采量均有了進(jìn)一步升高，主要是此時(shí)鉆孔進(jìn)入了裂隙帶內(nèi)，在鉆孔進(jìn)入采空區(qū)30m以后，濃度保持抽采量有了大幅度回落，主要原因是鉆孔可能出現(xiàn)了塌孔堵孔情況。進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)90m后，鉆孔濃度及抽采量均突然下降，導(dǎo)致抽采效果嚴(yán)重衰減的主要原因是鉆孔未進(jìn)入裂隙帶部分出現(xiàn)了塌孔，導(dǎo)致抽采效果嚴(yán)重衰減。

圖5 工作面3號(hào)高位定向長(zhǎng)孔抽采曲線圖

如圖5所示，3號(hào)定向高位孔和1號(hào)定向高位孔情況類似，在進(jìn)入采空區(qū)12m后瓦斯抽采濃度開始急劇增加，此時(shí)鉆孔進(jìn)入了裂隙帶瓦斯富集區(qū)，隨著裂隙帶不斷發(fā)育，混量及純量也開始顯著提高，隨著工作面推進(jìn)，鉆孔進(jìn)入裂隙帶內(nèi)的長(zhǎng)度不斷增加，抽采效果持續(xù)保持在較好的狀態(tài)。隨著抽采時(shí)間增加，采空區(qū)深部的瓦斯量逐漸減少，處于深部的瓦斯?jié)舛冉档?，造成鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛乳_始降低，但隨著鉆孔長(zhǎng)度增加及裂隙帶逐漸向高處擴(kuò)展，但混合流量不斷增加，純量則總體保持平衡。和1號(hào)孔對(duì)比可以看出，雖然3號(hào)鉆孔抽采濃度較1號(hào)孔偏低，但抽采純量卻是1號(hào)孔的4～5倍，3號(hào)孔取得了非常好的抽采效果主要原因是3號(hào)鉆孔在垂直方向上層位較1號(hào)孔偏低，所處層位裂隙更發(fā)育。

圖6 工作面4號(hào)高位定向長(zhǎng)孔抽采曲線圖

如圖6所示，4號(hào)定向高位孔和2號(hào)定向高位孔類似，未進(jìn)入采空區(qū)抽采濃度就已經(jīng)很高，此時(shí)高位孔抽采的主要是煤體上覆巖層裂隙內(nèi)少量瓦斯。隨著鉆孔進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，抽采濃度有小幅回落，進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)23m后，抽采量大幅度下降，主要原因是鉆孔可能出現(xiàn)了塌孔堵孔情況，導(dǎo)致抽采效果嚴(yán)重衰減。

圖7 工作面5號(hào)高位定向長(zhǎng)孔抽采曲線圖

如圖7所示，5號(hào)定向高位孔抽采濃度較其它鉆孔整體偏低，但整體趨勢(shì)變化不大，抽采流量在整個(gè)抽采期間相比其它鉆孔明顯偏低，也沒有明顯的起伏，抽采效果較差，主要原因是5號(hào)定向高位孔距煤層頂板41m，層位較高，處于裂隙帶的上部，裂隙發(fā)育較少。

5 抽采效果分析

在16031工作面回采期間，實(shí)際絕對(duì)瓦斯涌出量（抽采+風(fēng)排）平均6.97m3/min，在整個(gè)絕對(duì)瓦斯涌出量中，風(fēng)排瓦斯量占34%，埋管抽抽采量占9%，高位定向長(zhǎng)孔抽采量占57%，具體見圖8。

定向高位孔雖然鉆孔數(shù)量較少，但是由于有效抽采長(zhǎng)度長(zhǎng)，利用率高，在進(jìn)入裂隙帶后抽采效果明顯，且抽采量穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，起到了重要的作用。

圖8 工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量抽采比例圖

6 結(jié)論

1）經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考察，16031工作面采高為3m的情況下，布置定向高位長(zhǎng)鉆孔的合理層位為：垂向上距煤層頂板12～30m，平距為距回風(fēng)巷中線10～28m。

2）形成了采用千米鉆機(jī)施工高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)的技術(shù)模式，提高了高位鉆孔抽采效果和效率，為礦井安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)有效消除了回采工作面上隅角瓦斯聚集問題，提高了工作面回采效率，促進(jìn)了瓦斯利用，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。