摘要：针对3206工作面回采期间采空区瓦斯涌出量大、回风隅角瓦斯浓度高问题，提出将定向长钻孔应用到采空区瓦斯抽采中，通过有效拦截瓦斯涌出控制回风隅角瓦斯浓度。采用理论分析方法并结合现场条件，合理确定了顶板定向长钻孔布置位置，并给出具体布置参数。工程应用后，顶板定向长钻孔在稳定阶段瓦斯抽采纯量在5~6 m3/min，回风隅角瓦斯浓度在0.3%~0.5%间，钻孔瓦斯抽采量及回风隅角瓦斯浓度波动均较小，现场瓦斯抽采取得较好效果。

　　关键词：煤炭开采；采空区瓦斯；回风隅角；定向长钻孔；裂隙瓦斯

　　0引言

　　瓦斯是制约煤炭安全回采的不利因素之一，特别当矿井回采高瓦斯煤层时，受煤层原始瓦斯含量高、瓦斯压大等因素影响，采面回风隅角容易出现由于采空区瓦斯涌出引起的瓦斯集聚、瓦斯超限等问题。对于采空区瓦斯治理方面，众多的学者及工作人员展开了研究，并形成了普通高位钻孔、高抽巷、采空区埋管等多种瓦斯治理措施，现场应用也取得一定效果，但是也存在有一定的缺陷，如普通高位钻孔可利用时间少、有效抽采段短；高抽巷巷道掘进及维护费用高昂。瓦斯治理成本高；采空区埋管瓦斯抽采效率低等。近些年来，随着钻进设备以及钻进技术不断更新，定向长钻孔在水害防治、地质勘探以及瓦斯治理中应用呈增加趋势将顶板定向长钻孔应用到回采工作面采空区顶板裂隙瓦斯抽采中，可达到减少采空区瓦斯涌出目的，同时钻孔有效段长度大、瓦斯抽采时间长优点。为此，众多的学者及工程技术人员对顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术展开研究，并对钻孔布置层位、钻进工艺、钻进设备以及抽采方案等进行详细探讨。

　　结合以往研究成果，以山西某矿3206工作面瓦斯治理为工程背景，结合现场条件合理确定顶板定向长钻孔布置方案并分析瓦斯抽采效果。

　　1工程概况

　　1.1地质概况

　　山西某矿为设计产能180万t/a的现代化矿井，采用斜井+平硐开拓方式，矿井批准开采煤层包括有1#、2#、5#、7#及8#等，其中1、5#及7#煤层局部可采，2#、8#煤层全区可采。3206工作面设计走向长度为1 156 m、倾向斜长160 m，设计采高为1.6 m，采面采用U型通风方式，设计配风量为1 550 m3/min。采面回采的2#煤层厚度均值1.5 m、倾角2。~6。，煤层顶底板岩性以粉砂岩、泥岩以及砂质泥岩为主，具体岩性参数，如图1所示。2#煤层原始瓦斯含量为9.35 m3/t，2#煤层上覆5.5 m的1#煤层原始瓦斯含量为10.9 m3/t，2#煤层下覆11m位置的3#煤层原始瓦斯含量为13.2 m3/t。

　　1.2采面瓦斯涌出情况

　　3206工作面回采后会对煤层顶底板产生影响，在采空区上覆由下到上会形成垮落带、裂隙带以及弯曲下沉带，而在煤层底板也会形成采动裂隙并引起下覆煤层卸压。2#煤层回采后会引起1#煤层（上覆5.5 m）及3#煤层（下覆11 m）裂隙发育，导致大量的卸压瓦斯涌出，实测发现3206工作面回采期间绝对瓦斯涌出量在23.97 m3/min，其中本煤层、上邻近层及下邻近层瓦斯涌出量分别为10.32、5.91、7.74 m3/min，邻近层瓦斯涌出量占比达到56.95%。

　　在3206工作面采面通风负压以及瓦斯密度较轻等因素影响下容易在3206工作面采空区及上覆裂隙中积聚，具体瓦斯流动示意图，如图2所示。采空区内大量高浓度瓦斯在通风影响下容易从回风隅角位置涌出，从而导致回风隅角、回风流瓦斯超限。在顶板布置定向长钻孔后可拦截采空区瓦斯涌出，从而降低采空区瓦斯涌出量，有助于降低回风隅角瓦斯浓度。

　　2顶板定向长钻孔瓦斯抽采应用

　　2.1顶板定向长钻孔布置位置确定

　　3206工作面煤炭回采后，回采隅角瓦斯来源包括有本煤层采空区瓦斯、上下邻近层卸压瓦斯，同时在采面回采过程中顶板垮落、压实等也会影响瓦斯流场。为保障顶板定向长钻孔瓦斯抽采效果，钻孔在水平方向上应避免布置在顶板裂隙压实区，竖向方向上应尽量布置在靠近回风巷的顶板裂隙带，通过抽采负压对采空区瓦斯进行抽采，从而实现采空区瓦斯涌出有效拦截目的。

　　2.1.1钻孔高度确定

　　定向长钻孔在顶板内布置高度H应在垮落带Hm、裂隙带Hl之间，具体计算公式（1）和公式（2）为：

　　3206工作面设计采高为1.6 m，则回采后顶板垮落带Hm=3.8~8.2 m、裂隙带Hl=20.4~31.6 m，即高位定向长钻孔合理层位应在煤层顶板上覆8.2~31.6 m范围内。

　　2.1.2水平位置确定

　　顶板定向长钻孔布置水平位置应靠近采面回风巷且避开采空区顶板重新压实区，具体水平位置S应满足下述要求，如公式（3）所示：

　　S1＜S＜S2.（3）

　　式中：S1为顶板未卸压区水平距离，m；S为定向长钻孔与回风巷间水平距离m；S2为顶板重新压实区边界与回风巷间水平距离，m。

　　S1及S1计算公式（4）和公式（5）分别为：

　　综合公式及可得：

　　其中：H为顶板定向长钻孔布置高度，取值8.2~31.6 m；α为回采的2#煤层倾角，取值4°;β为煤层覆岩卸压角，取值65°;L为采面斜长，取值160 m。经计算求得定向长钻孔与回风巷间水平距离应控制在3.15~53.33 m范围内。

　　2.2工程应用

　　综合定向长钻孔布置位置理论计算结果以及2#煤层上覆岩层层位、厚度等，将定向长钻孔布置在煤层上覆13.2 m的砂质泥岩层中；为确保钻孔位于顶板卸压区，将钻孔布置在与回风巷间距15~35 m位置。现场施工时，在3206回风巷按照300 m间隔布置一个规格：长×宽=5.0 m×3.4 m的钻场，在钻场内布置5个孔径153 mm、孔深350 m的定向长钻孔，具体钻孔布置参数如表1所示；定向长钻孔布置图如图3所示。

　　2.3顶板定向长钻孔瓦斯抽采效果

　　定向长钻孔接抽后，记录采面回采期间顶向长钻孔抽采瓦斯纯量、回风隅角瓦斯浓度，具体结果如图4所示。

　　从图4中可以看出，随着定向长钻孔在采空区内延伸距离不断增加，定向长钻孔瓦斯抽采纯量呈现先增长、稳定以及衰减变化趋势，其中增长段、稳定段及衰减段长度分别为45、210、45 m，稳定段长度较长；邻近的钻场定向长钻孔间有50 m重叠距离，可有效覆盖增长段、衰减段范围，实现采空区瓦斯涌出有效拦截；在稳定段内钻孔瓦斯抽采纯量稳定在5~6 m3/min，钻孔瓦斯纯量波动较小；在顶板定向长钻孔抽采期间，采面回风隅角位置瓦斯体积分数稳定在0.3%~0.5%间，瓦斯浓度整体较小，表明现场布置的顶板定向长钻孔可实现采空区瓦斯有效拦截，确保回风隅角瓦斯浓度在安全范围内。

　　3结语

　　为实现3206工作面采空区瓦斯涌出有效拦截、减少回风隅角瓦斯浓度，结合采面现场情况采用理论计算方法确定定向长钻孔高度与水平位置，具体高位定向长钻孔合理层位应在2#煤层顶板上覆8.2~31.6 m范围内，水平方向上与回风巷间水平距离应控制在3.15~53.33 m。

　　结合3206工作面顶板覆岩情况以及以往高位钻孔布置经验，具体将定向长钻孔布置在2#煤层上覆13.2 m的砂质泥岩层、与回风巷间距控制在15~35 m，并具体给出定向长钻孔布置方案。现场应用后，顶板定向长钻孔瓦斯抽采呈现增加、稳定及衰减变化趋势，且稳定阶段持续距离较长；瓦斯抽采后回风隅角瓦斯浓度稳定在0.3%~0.5%间且波动较小，瓦斯浓度在安全范围内。

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