文 / 郝明輝 楊 杰

山東能源棗礦集團(tuán)太岳煤礦位于山西省長(zhǎng)治市，礦井所開(kāi)采的2號(hào)煤層為中厚煤層，其上下鄰近層間距較小，工作面回采期間瓦斯治理難度較大。為此，提出了高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定及理論分析，確定了礦井采空區(qū)冒落帶的高度，并據(jù)此對(duì)高位鉆孔合理布孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了近距離鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采，確保了礦井安全、高效開(kāi)采。

一、礦井概況

太岳煤礦批準(zhǔn)開(kāi)采井田內(nèi)1號(hào)、2號(hào)煤層，井田面積37.414km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5Mt/a，核定生產(chǎn)能力為2.10Mt/a。礦井采用立井-斜井開(kāi)拓方式開(kāi)拓。工作面采用綜合機(jī)械化一次采全高的采煤方法。太岳煤礦為高瓦斯礦井，采用中央并列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。

井田范圍內(nèi)1號(hào)煤層厚0～1.23m，平均0.57m，煤質(zhì)為焦煤或瘦煤，賦存不穩(wěn)定，不具備開(kāi)采條件。目前僅開(kāi)采二疊系下統(tǒng)山西組下部2號(hào)煤層，2號(hào)煤層位于1號(hào)煤層下部，距1號(hào)煤層8.34～22.92m，平均16.88m。2號(hào)煤層厚度1.71～3.00m，平均厚度為2.2m，煤層傾角2°～13°，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其煤質(zhì)為焦煤或瘦煤；該煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，僅局部夾1～3層泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸，夾矸厚度0.04～0.24m，平均0.13m。

目前采深條件下，2號(hào)煤層瓦斯含量為4.5m3/t～7.8m3/t。由于1號(hào)煤層與2號(hào)煤層成煤地質(zhì)史一致，因此可以推測(cè)1號(hào)煤層具有較為一致的瓦斯賦存規(guī)律。由于層間距非常近，在2號(hào)煤層開(kāi)采過(guò)程中，受卸壓效應(yīng)的影響，1號(hào)煤層卸壓瓦斯將大量涌入2號(hào)煤層采掘空間，使得工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕?、上隅角瓦斯超限等?wèn)題頻發(fā)，為2號(hào)煤層安全、高效開(kāi)采帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，因此，必須對(duì)1號(hào)煤層瓦斯進(jìn)行有效治理。

二、高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究

基于太岳煤礦1、2號(hào)煤層層間距較近的實(shí)際情況，結(jié)合礦井瓦斯治理水平，決定采用高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)對(duì)1號(hào)煤層進(jìn)行高效瓦斯抽采。但高位鉆孔終孔位置距2號(hào)煤層的垂高、內(nèi)錯(cuò)工作面的距離等參數(shù)對(duì)瓦斯抽采效果極為重要，需進(jìn)行細(xì)致的研究，從而實(shí)現(xiàn)抽采效果最優(yōu)。

1. 冒落帶高度的確定

在工作面退采過(guò)后，采空區(qū)范圍內(nèi)會(huì)形成高度不等的“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。其中，冒落帶為煤層上方巖體垮落形成的松散巖體帶，直接與工作面空間溝通，透氣性極好；裂隙帶位于冒落帶上方，由于冒落帶巖體碎脹特性使裂隙帶巖體得到有效的支撐未能冒落，但形成了大量相互溝通的裂隙，是層間瓦斯流動(dòng)的主要通道；彎曲下沉帶是由于關(guān)鍵層的控制、裂隙帶的支撐等發(fā)生卸壓但未斷裂的巖層帶，裂隙不發(fā)育。

高位鉆孔要實(shí)現(xiàn)鄰近層瓦斯高效抽采，其鉆孔終孔位置必須位于冒落帶以上、彎曲下沉帶范圍內(nèi)。若高位鉆孔位于冒落帶之內(nèi)，鉆孔將與冒落帶裂隙直接連通，在抽采負(fù)壓作用下大量空氣進(jìn)入鉆孔，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鄰近層瓦斯高效抽采。因此，必須結(jié)合太岳煤礦的實(shí)際情況對(duì)其冒落帶高度進(jìn)行確定。在對(duì)太岳煤礦2號(hào)煤層冒落帶高度進(jìn)行確定時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與經(jīng)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。根據(jù)太岳煤礦工作面布置情況，采用“返液計(jì)量法”對(duì)冒落帶高度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

具體測(cè)定方法為：在工作面回風(fēng)巷向切眼斜后方施工不同傾角的鉆孔，鉆孔施工為濕式鉆進(jìn)。若鉆孔穿過(guò)冒落帶或終孔點(diǎn)位于冒落帶內(nèi)，則鉆孔內(nèi)大量鉆液將直接流入冒落帶內(nèi)，造成鉆孔返漿很少或不返漿；若鉆孔位于裂隙帶內(nèi)，則鉆孔返漿有所減少，但減少量并不大；若鉆孔返漿未減少，則說(shuō)明鉆液終孔位置沒(méi)有大量裂隙，則可判斷該位置為彎曲下沉帶。這種方法稱(chēng)之為“返液計(jì)量法”冒落帶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法。

采用這種方法，對(duì)太岳煤礦2號(hào)煤層采后的冒落帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，確立了其冒落帶高度約為7.5～12.4m左右。

（2）經(jīng)驗(yàn)分析。借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)“三帶”高度的相關(guān)研究成果可知，一般情況下，冒落帶為采高的3～6倍不等。根據(jù)太岳煤礦頂板的巖性及巖性組合特性，結(jié)合我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以確定太岳煤礦冒落帶高度約為6.6～13.2m左右。

從以上研究成果可以看出，太岳煤礦2號(hào)煤層冒落帶的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)總體非常接近。因此，確定冒落帶的高度為12.4m。

2. 高位鉆孔布孔參數(shù)研究

為了高效抽采鄰近層及采空區(qū)瓦斯，高位鉆孔終孔位置需位于裂隙帶的中上部，并內(nèi)錯(cuò)工作面一定距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近層涌出瓦斯的有效攔截和采空區(qū)瓦斯的高效抽采。為此，需要對(duì)高位鉆孔垂向高度、內(nèi)錯(cuò)距離等合理布置參數(shù)進(jìn)行研究。

（1）合理垂向高度的確定。通過(guò)確定裂隙帶高度范圍，確定了高位鉆孔垂向合理高度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，煤層頂板不同巖性及巖性組合條件下，裂隙帶高度為：

其中：H裂——裂隙帶高度，m；

N——系數(shù)，堅(jiān)硬巖層n=30，中硬巖層n=20，較軟巖層n=10；

M——開(kāi)采層采高。

結(jié)合太岳煤礦1、2號(hào)煤層間的巖性組合較軟的特性，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算裂隙帶的高度約為17.5～25m左右，因此，確定高位鉆孔終孔位置的合理垂高為17.5～25m左右。

（2）合理內(nèi)錯(cuò)距離的確定。由于CH4的密度比空氣小，采空區(qū)及鄰近層涌出的瓦斯在瓦斯上浮效應(yīng)及抽采負(fù)壓的綜合作用下，會(huì)涌向采空區(qū)上部、回風(fēng)巷及工作面上隅角。為有效攔截鄰近層瓦斯及采空區(qū)瓦斯，防止大量瓦斯涌向回風(fēng)巷和工作面上隅角，需將高位鉆孔內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷一定距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近層及采空區(qū)涌出瓦斯的高效抽采。

太岳煤礦2號(hào)煤層工作面長(zhǎng)度一般為200m左右，根據(jù)采空區(qū)巖石冒落特性及工作面長(zhǎng)度，借鑒我國(guó)高位鉆孔瓦斯抽采的相關(guān)理論研究成果，結(jié)合冒落帶高度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，確定將高位鉆孔內(nèi)錯(cuò)距離控制在距回風(fēng)巷50m范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)高位鉆孔的高效瓦斯抽采。

3. 高位鉆孔合理封孔技術(shù)研究

受地質(zhì)構(gòu)造及卸壓作用影響，煤層頂板巖層會(huì)發(fā)生不同程度的破壞，造成大量裂隙的生成和發(fā)育，導(dǎo)致封孔難度增大，從而造成鉆孔漏氣，使得瓦斯抽采效果大打折扣。因此，必須針對(duì)太岳煤礦的巖層條件提出有針對(duì)性的封孔技術(shù)。

按照煤巖體蠕變效應(yīng)，要想達(dá)到理想的封孔效果，封孔位置應(yīng)避開(kāi)巷道松動(dòng)圈范圍，進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)。因此，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，封孔深度由原來(lái)的孔口開(kāi)始封孔、封孔深度8m改為自孔口向里6m開(kāi)始封孔、封孔深度6m，從而使始封深度進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)，封孔效果得到大幅提高。為了避免聚氨酯封孔抗壓效果差易漏氣、水泥砂漿封孔存在封孔“水縫”的弊端，封孔工藝由原來(lái)聚氨酯封孔改為“兩堵一注”封孔，縮短了封孔長(zhǎng)度，在一定程度上降低了封孔費(fèi)用，并大幅提高了封孔效果，有效提高了抽采效果。

三、高鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用及效果

1. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)以上理論研究成果，在太岳煤礦2204工作面進(jìn)行了高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。鉆場(chǎng)開(kāi)設(shè)在2204工作面回風(fēng)順槽，高位鉆場(chǎng)每隔30～40m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置10～12個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)分高低位布置2小組，小組間距15～20m，下一組鉆場(chǎng)在前一組鉆場(chǎng)1號(hào)鉆孔后30～40m位置施工。高位鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示，鉆孔參數(shù)如表1所示。

圖1 2204回風(fēng)巷高位鉆孔布置圖

表1 2204回風(fēng)巷高位鉆孔施工參數(shù)

2. 效果考察

對(duì)比鄰近層高位鉆孔抽采期間及停抽期間（鉆孔停抽在制定現(xiàn)場(chǎng)安全技術(shù)措施后執(zhí)行）工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流等地點(diǎn)瓦斯?jié)舛?，停抽?0分鐘觀(guān)測(cè)，數(shù)據(jù)變化明顯，充分證明鄰近層抽放達(dá)到了預(yù)期效果。2204工作面抽采前后瓦斯?jié)舛茸兓闆r如表2所示。

表2 2204工作面實(shí)施高位鉆孔抽采前后瓦斯?jié)舛葘?duì)比表

從表2可以看出，通過(guò)實(shí)施高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，對(duì)瓦斯抽采效率大幅提高，有效解決了工作面回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕?、甚至超限的?wèn)題，達(dá)到了對(duì)鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的，確保了工作面的安全高效開(kāi)采。

四、結(jié)論

通過(guò)在太岳煤礦實(shí)施高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究，取得以下結(jié)論：

1.采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析相結(jié)合的方法，確定了冒落帶的高度為12.4m左右，并由此確定了高位鉆孔的合理終孔位置等布孔參數(shù)，即高位鉆孔合理垂向高度為17.5～25m左右，合理內(nèi)錯(cuò)距離為50m左右，從而減少了鉆孔施工的盲目性，提高了鉆孔利用率。

2.確立的適用于太岳煤礦的封孔工藝為“兩堵一注”，重新確定了封孔深度和封孔長(zhǎng)度，有效減少了封孔長(zhǎng)度，降低了封孔費(fèi)用，提升了封孔水平和瓦斯抽采效果。

3.將研究確定的高位鉆孔合理布孔參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，在太岳煤礦2204工作面對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行了考察。通過(guò)考察發(fā)現(xiàn)，高位鉆孔的應(yīng)用，有效解決了工作面回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛绕摺⑸踔脸薜膯?wèn)題，達(dá)到了對(duì)鄰近層及采空區(qū)瓦斯高效抽采的目的，確保了工作面的安全高效開(kāi)采。