彭 冬，趙永哲，段會軍，劉建林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團西安研究院有限公司， 西安 710077)

0 引言

近年來隨著綜采放頂煤技術(shù)的發(fā)展，煤層開采深度不斷加深，煤層的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，造成礦井瓦斯治理的難度隨之增加[1-2]?；夭蛇^程中由于開采強度大，在U型通風(fēng)方式下致使工作面上隅角容易產(chǎn)生瓦斯積聚，導(dǎo)致上隅角瓦斯存在局部超限的風(fēng)險。針對上隅角瓦斯超限的難點，國內(nèi)外學(xué)者在上隅角瓦斯抽采技術(shù)上提出了插埋管法、尾巷法、高抽巷法和穿層鉆孔等方法，其中穿層鉆孔以其工程量小，施工方便和費用低等優(yōu)勢，得到廣泛采用。但受鉆探裝備與工藝技術(shù)的限制，導(dǎo)致穿層鉆孔的有效孔段短，鉆孔搭接處瓦斯抽采效果差，且工作面較長時，輔助工作時間成倍增加[3-7]。因此，針對穿層鉆孔技術(shù)的缺點，高位定向鉆孔隨著大功率鉆探裝備的發(fā)展、封孔材料與封孔工藝的改進和定向鉆進技術(shù)的革新，逐漸的代替穿層鉆孔在各個礦區(qū)得到應(yīng)用和推廣，逐漸成為工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展趨勢[8-9]。

1 上隅角瓦斯抽采機理

煤層開采過程中，隨著工作面的推進，頂板上覆巖層充分冒落，隨著上覆巖層的移動和破斷，從而形成采動裂隙。基于巖層移動的關(guān)鍵層理論，巖層移動自下而上逐步延伸，當(dāng)工作面推進距離大于離層始動距時，關(guān)鍵層下的巖層移動出現(xiàn)離層產(chǎn)生離層裂隙，隨著巖層的斷裂形成穿層裂隙，溝通了上、下離層間的通道[10]。關(guān)鍵層初次冒落后，采空區(qū)中部離層趨于壓實，而在切眼側(cè)和工作面?zhèn)葍蓚?cè)仍保持采動裂隙發(fā)育的離層區(qū)。在水平層面，關(guān)鍵層破斷時形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)在采空區(qū)四周存在沿層面橫向連通的采動裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為采動裂隙“O”型圈[11]。上隅角瓦斯治理在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的“O”型圈內(nèi)建立一條瓦斯流動通道，瓦斯以滲流的形式沿裂隙流至抽放鉆孔處，在負壓作用下引流上隅角的瓦斯。

2 高位定向鉆孔參數(shù)設(shè)計

2.1 垂直層距的確定

根據(jù)王家?guī)X礦12318工作面地質(zhì)柱狀圖等資料，煤層平均厚度為6.21m，煤層傾角為5°，巖層破斷角為64.5°，煤層頂板的直接頂為中細砂巖，其抗壓強度為53～89MPa，平均68MPa。依據(jù)《三下采煤規(guī)程》，頂板冒落帶高度按堅硬巖層計算。

(1)

式中：Hk—冒落帶高度，m；M—開采煤層厚度，m。

根據(jù)式(1)得出冒落帶高度為18.88～23.88m。

基于關(guān)鍵層理論可知，煤層頂板的上覆巖層若有n層同步協(xié)調(diào)變形的巖層，則其最下部層為關(guān)鍵層，由于第n+1層的變形小于第n層，第n層巖層不需要去承擔(dān)第n+1層及其以上的任何載荷，則第n+1層作為關(guān)鍵層必需滿足的剛度判別條件為[12]：

qn+1

(2)

式中：qn、qn+1——計算到第n層與第n+1層，其最下部關(guān)鍵層所承受的載荷，MPa。

設(shè)第n+1層為關(guān)鍵層，其破斷距為ln+1，第1層的破斷距為l1，則關(guān)鍵層的強度條件為：

ln>l1

(3)

(4)

式中：Rn+1——第n+1層巖層的抗拉強度，MPa；Pn+1——第n+1層巖層承受的載荷，MPa；hn+1——第n+1層巖層的厚度，m。

12318工作面2#煤頂板主要巖層力學(xué)參數(shù)見表1。將表1中的數(shù)據(jù)帶入式(2)～(4)中，得出基本頂是工作面上方4.51m處厚度為5.05m的粉砂巖，頂板上覆巖層73.44m處厚度為15.6m的粗粒砂巖為主關(guān)鍵層。由于覆巖主關(guān)鍵層位于臨界高度7～10倍采高以外，破斷裂隙將發(fā)育至7～10倍采高上方最近的關(guān)鍵層底部，破斷裂隙的臨界高度就等于該關(guān)鍵層底部到開采煤層的距離[13]。因此鉆孔垂直層距的取值范圍是18.88～73.44m。

煤電利用小時數(shù)與2015年相當(dāng)。根據(jù)測算，此模式下廣東煤電機組利用小時數(shù)約4 200 h，與2015年相當(dāng)。

表1 煤層頂板巖層狀況

2.2 水平錯距的選取

上隅角瓦斯抽放鉆孔布置在采動裂隙的“O”型圈內(nèi)，才能保證鉆孔有較長的抽放時間、較高的抽采效率以及較大的抽放范圍。為了將鉆孔布置在“O”型圈內(nèi)，鉆孔距回風(fēng)巷的水平錯距S應(yīng)滿足以下公式[14]：

S=[H-(B+Hcotθ)tanα]+sinα+(B+Hcotθ)/cosα

(5)

式中：S—鉆孔距回風(fēng)巷的水平錯距，m；H—鉆孔終孔位置的垂直層距，m；B—鉆孔距“O”型圈外邊界的距離，m，通?！癘”型圈的寬度為34m，取“O”型圈寬度的1/3；α—煤層傾角，(°)；θ—巖層破斷角，(°)。

經(jīng)計算水平錯距為18.93～73.62m。

2.3 鉆孔參數(shù)的確定

根據(jù)2#煤頂板上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)得出裂隙帶的發(fā)育范圍和鉆孔的選擇層位，試驗共設(shè)計兩組8個高位定向鉆孔，采用Φ101mm定向先導(dǎo)孔+Φ133mm導(dǎo)向擴孔進行施工，具體定向鉆孔設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 定向鉆孔設(shè)計參數(shù)

3 抽采效果分析

3.1 高位定向鉆孔施工情況

通過在12318工作面進行現(xiàn)場試驗，高位定向鉆孔施工軌跡基本與設(shè)計軌跡吻合，鉆孔在頂板粉砂巖和細粒砂巖穩(wěn)定巖層中延伸，無塌孔縮徑卡鉆的現(xiàn)象發(fā)生，終孔孔段按照設(shè)計達到預(yù)定層位。

與普通穿層鉆孔相比，高位定向鉆孔施工輔助工序和時間更少，在裂隙帶的有效孔段更長。對于覆蓋近3 500m長的工作面，高位定向鉆孔僅需要施工7個鉆場，而普通穿層鉆孔，如按80m施工一個鉆場，需施工44個鉆場，后者的輔助工序時間是前者的6倍多。另外，高位定向鉆孔在裂隙帶內(nèi)的有效孔段能達90%，普通穿層鉆孔在裂隙帶的有效孔段僅為65%左右。

3.2 瓦斯抽采情況

為了觀察兩種鉆探方法瓦斯抽采效果的差異，特地選擇了12318工作面高位定向鉆場之前的穿層鉆孔鉆場抽采效果進行對比分析。根據(jù)工作面每天8～10m的回采速度，普通穿層鉆孔的接抽時間遠小于高位定向鉆孔，兩者的抽采效果如圖1、圖2所示。

從圖中可知，對于普通穿層鉆孔剛開始接抽時，鉆孔位于頂板的裂隙帶中，抽采濃度與純量都較好，當(dāng)工作面回采至鉆場之前的2～3d,鉆孔的有效接抽段處于冒落帶中，此時抽出的混量大濃度低。高位定向鉆孔的初采階段，工作面上覆巖層的破斷裂隙在采空區(qū)兩側(cè)的發(fā)育程度稍微滯后于中部，瓦斯與鉆孔之間的溝通受阻，導(dǎo)致初采階段鉆孔瓦斯混量低濃度較大。當(dāng)工作面推進向前推進2～3d后，進一步的受采動影響，破斷裂隙不斷發(fā)育將各巖層之間的離層裂隙連通，鉆孔的抽采效果趨于良好的穩(wěn)定抽采階段。最后工作面推進至鉆場僅剩5d左右時，鉆孔瓦斯抽采進入衰減階段，鉆孔層位由裂隙帶逐漸進入冒落帶，鉆孔出現(xiàn)被堵塞的情況，瓦斯抽采效果開始下降，此時鉆孔的混量增大濃度降低。

圖1 瓦斯?jié)舛瘸椴汕闆rFigure 1 Gas concentration in drainage

圖2 瓦斯純量抽采情況Figure 2 Gas extraction quantities in drainage

圖中還可以看出，普通穿層鉆孔的抽采時間為8～10d，瓦斯有效抽采體積分數(shù)穩(wěn)定在4.32%～5.72%，瓦斯抽采純量穩(wěn)定抽采階段在0.83～1.52m3/min。一組超過500m的高位定向鉆孔的正常抽采周期大約在60d，瓦斯穩(wěn)定抽采濃度保持在8.22%～11.6%，是普通穿層鉆孔2倍；瓦斯抽采純量為3.6～6.32m3/min是普通穿層鉆孔的4倍。另外，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，對比兩種治理方式上隅角瓦斯?jié)舛瓤芍?，使用穿層鉆孔治理時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.43%～0.64%，采用高位定向鉆孔后上隅角瓦斯?jié)舛仍?.31%～0.45%。由此可知，采用高位定向鉆孔治理上隅角瓦斯效果更好。

為了驗證高位定向鉆孔在上隅角瓦斯治理的突出效果，隨后在12101、12311、12322三個工作面進行推廣應(yīng)用，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.33%～0.48%，抽采效果良好，保證了工作面的安全回采。

4 結(jié)論

(1)基于關(guān)鍵層和“O”型圈理論，王家?guī)X高位定向鉆孔垂直層距30～45m、水平錯距20～50m的層位選擇合理，鉆孔抽采效果穩(wěn)定，抽采效率高，為后期瓦斯治理和煤礦安全高效生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

(2)和普通穿層鉆孔相比，高位定向鉆孔有效抽采周期長，輔助工序少，有效孔段長。一組高位定向鉆孔的抽采周期是穿層鉆孔的6倍，抽采濃度提高了50%，抽采純量增加了3倍?；诖?，證明了在上隅角瓦斯治理中，高位定向鉆孔抽采效率更突出，效果更佳。

(3)在前期王家?guī)X礦12318綜放工作面進行高位定向鉆孔進行上隅角瓦斯抽采試驗的基礎(chǔ)上，又進行了多個工作面的推廣應(yīng)用，使用效果良好。