高位定向长钻孔与走向钻孔联合抽采瓦斯技术

史 建 闫 波 刘亮亮

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046600）

1 工程概况

1.1 地质情况

赵庄二号井2312 回采工作面开采3 号煤层，煤层含1～2 层夹矸，细～中条带状结构，层状构造，属半亮～光亮型煤。煤层厚度平均4.5 m，煤层倾角平均1°。基本顶为中粒砂岩，厚度为14.2 m；直接顶为粉砂岩，厚度为6 m；伪顶为砂质泥岩，厚度为0.78 m。2312 工作面倾斜长160 m，走向长600 m，采用综放开采，机采高度为2.4 m，放顶煤高度为2.1 m，采用一进一回“U”型通风方式。根据2020 年矿井瓦斯测定数据，矿井绝对瓦斯涌出量为14.43 m3/min，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为7.05 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.77 m3/min，赵庄二号井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。2312 工作面位于井田西翼盘区，所采区域瓦斯含量为4.86～5.44 m3/t，相邻2314 工作面回采时绝对瓦斯涌出量为4.21 m3/min，相对瓦斯涌出量为2.18 m3/t，预计该工作面瓦斯回采时绝对瓦斯涌出量在4.3～6.8 m3/min。根据三维地震资料显示，工作面内断层、陷落柱较多，瓦斯含量可能发生变化。

1.2 瓦斯抽采情况

赵庄二号井回采工作面采用综采放顶煤开采，由于端头不放顶煤，造成采空区遗煤较多，释放大量瓦斯。以往回采工作面采用顶板高位走向钻孔和上隅角插管抽采技术，但是由于高位走向钻孔层位无法控制，有效抽采距离短，存在抽采盲区，特别是在瓦斯含量较高的区域，抽采效果极不理想。2312 工作面回采区域属于矿井瓦斯含量较高的区域，为确保工作面安全开采，试验高位定向长钻孔联合走向钻孔的采空区瓦斯抽采方案，在减少普通钻孔施工量的基础上，提高钻孔施工质量和利用率，从而提高采空区瓦斯抽采量，减少回采工作面上隅角瓦斯涌出。

2 采空区瓦斯联合抽采技术

2.1 钻孔布置原则

回采工作面开采过后，直接顶岩层冒落，其上部分岩层发生破断，之上岩层则出现弯曲下沉，在破断岩层内部会形成水平方向的离层裂隙和垂直方向的破断穿层裂隙。自工作面切眼起，随着工作面推采，整个工作面顶板离层裂隙不断增大，采空区中部离层裂隙最为发育。工作面继续推采，采空区中部岩层逐步压实，四周岩层受周边煤柱或实体煤的支撑作用，其裂隙仍然存在，该区域岩层内水平裂隙通过穿层裂隙导通，采空区瓦斯会通过穿层裂隙向上部水平裂隙聚集。因此，在该区域布置水平定向长钻孔和走向钻孔，可实现对采空区瓦斯的高效抽采。

根据理论计算公式，回采工作面顶板裂隙带位于工作面上部5～8 倍采高，结合赵庄二号井西翼盘区上三带观测数据，顶板高位抽采钻孔的布置层位位于煤层顶板20～30 m 较为合理。根据以往工作面矿压数据分析，顶板高位抽采钻孔距回风巷的水平距离为20～50 m 较为合理。

2.2 联合抽采钻孔布置参数

（1）高位定向长钻孔布置参数

高位定向长钻孔[5-6]需覆盖整个工作面回采范围内上隅角端头顶板，结合工作面布置情况，在2312 轨道回风顺槽与2312 回风联络巷交叉口30 m处施工1 个抽放硐室，钻场布置迎向工作面推进方向的顶板施工5 个扇形钻孔，从里往外依次施工，钻孔终孔位置位于采空区上方裂隙带内。

5 个钻孔分为两排，其中第一排为1、4、5 号钻孔，开孔高度距底板2 m，钻孔开孔间距为0.5 m和1 m；第二排为1、2 号钻孔，开孔高度距离底板1.5 m，开孔间距为1.5 m。1～5#钻孔开孔与终孔位置的高差分别为23 m、20 m、23 m、32 m、35 m，钻孔长度均为564 m，钻孔直径均为96 mm。高位定向长钻孔布置如图1，钻孔参数见表1。

图1 高位定向长钻孔布置示意图

表1 高位定向长钻孔参数表

（2）走向钻孔布置参数

在2312 轨道回风顺槽施工6 个抽放硐室，硐室间距为85 m，第一个抽放硐室距切眼55 m。钻场布置迎向工作面推进方向的顶板施工8 个扇形钻孔，从里往外依次施工，钻孔终孔位置位于采空区上方裂隙带内。在每个抽放硐室内布置8 个钻孔，分为三排，其中第一排为1、2、3 号钻孔，开孔高度距底板1.5 m，钻孔开孔间距为1 m，钻孔开孔与终孔位置的高差分别为20 m，钻孔深度为115 m；第二排为4、5、6 号钻孔，开孔高度距底板2 m，钻孔开孔间距为1 m，钻孔开孔与终孔位置的高差分别为25 m，钻孔深度为120 m；第三排为7、8号钻孔，开孔高度位于煤层顶板处，距底板3 m，钻孔开孔间距为0.5 m，钻孔开孔与终孔位置的高差分别为30 m，钻孔深度为90 m；钻孔直径均为94 mm；水平方向钻孔距回风距离控制在35 m 以内。走向钻孔布置图如图2，钻孔参数见表2。

图2 走向钻孔布置示意图

表2 走向钻孔参数表

2.3 抽采钻孔施工

（1）打钻施工

顶板高位定向长钻孔采用ZYL-6000D 液压履带式钻机进行施工，配套Ф96 mm 钻头，5 个钻孔共计2820 m，工期30 d。顶板高位走向钻孔采用ZDY4200LPS 型液压履带式钻机进行施工，配套Ф94 mm 钻头，共计5310 m，工期30 d。

（2）钻孔封孔

抽放钻孔采用两堵一注封孔方式。顶板高位定向长钻孔采用充填式带压封孔技术，封孔材料为膨胀水泥，孔口段采用Ф240 mm 钻头扩孔9 m，封孔长度8.5 m，封孔管为Ф180 mm PE 管。顶板走向钻孔采用囊袋式带压封孔技术，封孔材料为普通硅酸盐水泥，孔口段采用Ф113 mm 钻头扩孔9 m，封孔长度8 m，封孔管为Ф90 mm PVC 管。

3 抽采效果分析

（1）抽放纯量

现场试验统计得到：5 个顶板高位定向长钻孔的平均抽放纯瓦斯量为0.253 m³/min，顶板走向钻孔的平均抽放纯瓦斯量为0.158 m³/min。对比以往工作面瓦斯抽采情况可知，顶板走向钻孔的平均抽放纯瓦斯量基本一致，顶板高位定向长钻孔的平均纯瓦斯抽采较顶板走向钻孔提高约65%。

（2）采面隅角瓦斯浓度

在2312 工作面回采期间，对工作面上隅角瓦斯含量进行持续监测，工作面隅角瓦斯浓度整体平稳，瓦斯浓度平均0.28%。当工作面过断层区域时上隅角瓦斯浓度较高，达到0.42%，未超过0.5%。

4 结论

顶板定向长钻孔水平布置在工作面上隅角顶板裂隙带，随着工作面回采，可以实现对采空区瓦斯的持续稳定抽采；同时布置顶板走向钻孔，可对回采工作面上隅角不同高度顶板内的瓦斯进行抽采，从而实现工作面采空区二位一体抽采，有效降低采空区瓦斯含量，控制回采工作面上隅角瓦斯浓度处于较低水平，以实现工作面安全开采。