吴卫兵

（沁和能源集团有限公司安监部，山西 晋城 048204）

针对沁和能源集团永安煤矿215工作面走向高位钻孔抽放采空区瓦斯进行试验研究，并考察抽放效果。

1 高位钻孔布置

在永安煤矿215工作面布置2组走向高位钻孔，如图1所示。从图中可知，1号钻场布置4个钻孔，孔径153mm，长度450m，1号～4号钻孔终孔水平投影点距回风顺槽的距离为75m、62m、33m和10m。2号钻场5个钻孔，孔长为300 m，1号～5号钻孔终孔位置分别位于煤层上方35m、40m、45m、88m和88m的岩层中，终孔点距离回风巷分别为15m、25m、35m、45m和55m。

2 钻孔施工分析

试验中钻机选用ZDY6000LD（F）定向钻机，最大给进起拔压力180kN；钻杆使用Ф89mm外平高强钻杆；选用清水为循环介质，BW-320型泥浆泵提供的高压水来进行岩粉的排除；采用 ATTCQ-1型单点式磁球定向测斜仪测量钻孔倾角及方位角。

采用普通回转全面钻进法和多次成孔工艺进行钻孔施工作业，这样容易使钻孔沿预设轨迹进行延伸，在成孔之后，换用大一级的扩孔钻头进行扩孔。两个月的时间内在215综放工作面的1号钻场和2号钻场共计施工完成9个钻孔。

图1 管道走向高位钻孔布置图及参数表

3 走向高位钻孔抽放采空区瓦斯效果及分析

3.1 1号钻场走向高位钻孔瓦斯抽放浓度

215综放工作面从2015年10月开始回采，于2016年2月底工作面推过高位钻孔。图2为1号钻场1号～4号高位钻孔瓦斯抽放浓度与工作面推进距离关系曲线。

图2 1号高位钻场钻孔瓦斯抽放浓度变化曲线

（1）当工作面推过钻孔25m左右时，1号钻孔与2号钻孔抽放瓦斯浓度开始上升，推过50m处浓度分别达到最大值35%和23%，然后抽放瓦斯浓度逐渐下降，在工作面推过钻孔终孔点100m处分别降至1.5%和2%，随着工作面的继续推进，浓度基本保持不变，推过250m后又略微有所回升。

1号钻场走向高位钻孔控制区煤层厚度为5.3～7.0m，按最大厚度7.0m考虑，利用213、214综放工作面所测冒落带高度为4～4.76倍采高计算，1号钻场走向高位钻孔控制区的采空区冒落带高度约为28～33.3m。由此可知，从终孔层位来看，当老顶第一次垮落前，随着采空区面积的扩大，尚未垮落的上覆岩层会产生弯曲离层裂隙，岩层中的游离瓦斯会通过离层裂隙进入抽放钻孔。与此相对应，1号钻孔与2号钻孔可以抽到瓦斯，抽放瓦斯浓度会逐渐上升。当工作面老顶初次垮落后，1号、2号钻孔会随着采空区冒落带的产生而切孔，抽放瓦斯浓度会急剧下降。随着采空区丢煤量的继续增加，采空区的瓦斯浓度会在一定程度上增加，钻孔抽出的瓦斯浓度也会有所上升，但上升的幅度不会很大。

（2）由于回风顺槽侧有40m左右的巷间保护煤柱，使得靠近回风顺槽采空区一侧的顶板不能及时垮塌而形成冒落带。因此，离回风顺槽水平距离只有33m和10m的3号、4号钻孔在工作面采过100m仍不能有效卸压，所以它们抽出的瓦斯浓度很低。3号、4号钻孔抽放瓦斯浓度在工作面推过钻孔终孔点100m左右才开始缓慢增加，采过130～140m后，瓦斯浓度急剧增加并多次出现浓度波动，但浓度始终保持在较高的水平。采过200m后，抽出瓦斯浓度逐步下降。

工作面采过钻孔终孔点100m后，由于采空区面积的不断扩大和采空区中部冒落带面积扩张，转移到回风顺槽的矿山压力不断增加，当矿山压力接近或达到煤柱的极限支撑强度时，煤柱在流变和压裂过程中会产生大量的裂隙，所以3号、4号钻孔抽出的瓦斯浓度急剧增加。

工作面采过钻孔终孔点220m后，采场矿山压力超过回风顺槽侧保护煤柱的极限支撑强度时，回风顺槽靠采空区一侧的上覆岩层失稳破坏而冒落，3号、4号钻孔随之切孔，抽出瓦斯浓度急剧降低，最终与采空区瓦斯浓度保持动态平衡。但由于此时的采空区内积存的瓦斯已达到较高的浓度，因此3号、4号钻孔抽出的瓦斯浓度仍然比同期1号、2号钻孔抽出瓦斯浓度高一些。

（3）从3号、4号钻孔的瓦斯浓度变化可以推断215综放工作面老顶初次来压距离约为50m左右，与实际矿压观测结果相吻合。

（4）1号～4号钻孔的瓦斯浓度变化规律间接地说明215综放工作面1号钻场高位钻孔控制区内采空区冒落带高度至少在28m以上。

3.2 2号钻场走向高位钻孔瓦斯抽放浓度

从图3可知，215综放工作面推过2号钻场高位钻孔终孔点21m后，开始抽出瓦斯，但瓦斯浓度不到3%，直到采过终孔点54m，瓦斯浓度仍没有超过4%。由于抽出瓦斯浓度过低，为保证矿井瓦斯利用浓度的需要，一度暂停高位钻孔瓦斯抽放。当工作面推过钻孔终孔点99m后，又恢复对高位钻孔瓦斯抽放，刚恢复时，瓦斯浓度达到15.27%，但迅速下降到3.87%，之后，瓦斯浓度一直在2%左右徘徊。

图3 2号高位钻场钻孔瓦斯抽放浓度变化曲线（综合）

3.3 走向高位钻孔瓦斯量

对215综放工作面的走向高位钻孔实测瓦斯抽放量进行统计，结果如表1所示。从统计数据可以看出，该工作面钻场走向高位钻孔瓦斯浓度和抽放量都不高。总体来看，在215综放工作面所进行的2个钻场的走向高位钻孔抽放采空区瓦斯试验效果不理想。

3.4 走向高位钻孔瓦斯抽放效果欠佳原因分析

（1）终孔层位偏低导致1号钻场抽放效果不佳。1号钻场钻孔终孔距离煤层顶板28m，处于采空区冒落带中，瓦斯抽放实测数据具有混合抽放量大、抽出瓦斯浓度低、有效抽放距离短的特征。

（2）放煤不充分导致2号钻场抽放效果不佳。

① 可以排除走向高位钻孔抽放管路漏气或封孔不严的因素。2016年9月6日，在工作面距离高位钻场只剩100m时，有意识地关闭和2号钻场走向高位钻孔并联抽放采空区的穿层钻孔瓦斯抽放管道。此时，抽放负压为3.1kPa，但抽放系统瓦斯抽放纯量迅速由原来的5.95m3/min下降到0.11～0.23m3/min，瓦斯浓度也只有1.5%左右，说明走向高位钻孔不存在抽放管路漏气或封孔不严的问题。

表1 走向高位钻孔瓦斯抽放统计表

② 215综放工作面煤层厚度自东向西逐渐增厚，在钻孔控制区范围已达8～11m（图4），按照213、214综放工作面实测冒落带高度与采出煤厚的倍数关系、215综放工作面煤层厚度和理论回采率80%计算，试验考察区内冒落带高度应该在28.8～42m之间。2号钻场各钻孔开孔位置距煤层顶板30m，设计1号～5号高位走向钻孔终孔分别在煤层上方35m、40m、45m、88m和88m的岩层中，实施抽放时钻孔的瓦斯流量和瓦斯浓度未增大。

③ 放煤不充分和工作面回收率低是导致2号钻场走向高位钻孔抽放效果差的根源。该工作面于2016年6月进入2号钻场走向高位钻孔控制区，煤厚逐渐加大，顶煤回收率和工作面回采率降低；同时因为在回风顺槽20m的煤层上部布置了高位排瓦斯巷，导致高位钻孔不能卸压进入裂隙带。

图4 2号钻场控制区域煤厚变化曲线

4 走向高位钻孔应用前景

针对沁和能源集团永安煤矿215综放工作面进行了走向高位钻孔抽放采空区瓦斯的试验研究。从本次高位钻孔抽放试验情况看，要提高高位钻孔抽放采空区瓦斯效果，应把握好钻孔设计与巷道布置、煤厚变化以及工作面回采率的关系，尤其是准确把握采空区冒落带高度与钻孔孔位的关系，走向高位钻孔抽放瓦斯可以成为一种更加有效的采空区瓦斯抽采方式。