赵永刚
(潞安化工集团王庄煤矿，山西 长治 046031)
煤层受开采扰动，使得工作面游离瓦斯沿裂隙通道运移，从而聚集于采空区上方“O”形圈内，制约了矿井的安全生产[1 -2]。因此，工作面瓦斯治理是瓦斯综合治理不可或缺的一部分。刘泽功等[3]对覆岩环形裂隙圈进行了相似模拟与数值模拟研究，提出了走向长钻孔抽采方法，完善了瓦斯抽采技术。杨鹏等[4]采用“以孔代巷”瓦斯抽采技术治理瓦斯，提出顶板定向长钻孔替代高抽巷治理采空区瓦斯模式。宋斌[5]对寺河矿大采高工作面不同临空条件下围岩渗透率与应力应变做了研究，提出了顺序开采高位钻孔层位精准确定方法。在定向钻孔设计参数优化方面，王鲜等[6]采用扩孔技术疏通钻孔等技术措施，有效解决淮南矿区顶板复杂地层中成孔难的问题；
曹文超等[7]进行了多组试验，对比了φ94～φ153 mm孔径钻孔的抽采效果，发现随着钻孔直径增大，抽采混量、纯量等都出现了明显的增长。贾明群[8]基于等转矩扩孔原理，采用正向多级大直径扩孔技术钻孔将直径增大至φ153 mm，显著提升了瓦斯抽采效率；
刘建林等[9]对孔口机械能和孔底压力能多动力联合碎岩进行研究，实现了φ120 mm/φ200 mm大直径定向长钻孔的安全高效钻扩成孔，提升了综合成孔效率。
基于此，从理论计算出发并通过现场试验，确定垮落带、裂隙带范围以及布孔位置，以分析王庄煤矿8105回采面瓦斯抽采的效果，并验证高位定向钻孔抽采瓦斯的可行性。
采空区顶板岩层充分垮落后，形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，如图1所示。随着采空区的扩大，采空区中部冒落的岩体紧密排布，使得采动裂隙闭合，而四周岩体的关键层下部由于煤壁的支撑作用让裂隙发育区被充分保留，如此形成的“O”形圈为瓦斯聚集提供了优良场所。顶板高位钻孔起始位置布置于工作面回风巷道内钻场，上仰开孔，平行巷道并向工作面距离煤层顶板一定高度延伸。同时，为保证抽采过程中抽采钻孔不受到破坏以持续抽采瓦斯，钻孔终孔位置应该坐落于一定高度的、离层裂隙丰富且岩层位移相对较小的裂隙带。大孔径定向高位钻孔技术要求使用的钻孔直径大，一般高于φ200 mm。现有大孔径定向钻孔普遍采用“先导孔+分级多次钻扩”的施工模式，即先施工孔口套管段，固管完成后采用定向钻进施工d≤120 mm小直径先导孔，使钻孔轨迹沿裂隙带钻进直至设计孔深，最后采用回转扩孔工艺进行多级扩孔将钻孔孔径扩大。
图1 高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯示意Fig.1 Schematic diagram of gas extraction in goaf with high level directional long drilling hole
布置在回采工作面顶板合理层位的大孔径定向高位钻孔，能获取更大的抽采能力，更加有效地拦截上隅角、回风流瓦斯浓度。回采过程能对采动影响区卸压瓦斯进行有效抽采，回采过后也能继续对采空区瓦斯进行抽采，不仅在井下实际抽采效率上取得成效，也对支撑安全生产发挥了有益作用。
2.1 工作面概况
王庄煤矿8105回采面位于81采区，工作面采高为3±0.1 m，其余为放顶煤高度，采放比为1∶1，其煤炭储量约78.9万t；
运巷长881 m，风巷长782 m，切眼长度145 m。回采面所采3号煤层，总煤厚为5.9 m，中间夹矸厚为0.35 m，煤层倾角为5°；
底板标高426～475 m，地面标高902～904 m，赋存于二叠系山西组地层中下部，陆相沉积类型为湖泊型沉积；
在工作面范围内，煤层厚度平稳延伸，岩层柱状图如图2所示。
图2 8105工作面煤岩层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of coal and rock strata of 8105 working face
2.2 终孔层位选择
2.2.1 垂直距离计算
上覆岩层的运移及其裂隙分布情况对合理布置钻孔位置至关重要。因此，钻孔终孔位置选择还要考虑竖直方向和水平方向2个主要因素。竖直方向钻孔应该布置在瓦斯浓度高、裂隙丰富的裂隙带中部，并避开软弱、碎裂的地层；
水平方向以单孔有效抽采范围为依据，靠近回风巷布孔，以保证采空区和上隅角的抽采效果。根据瓦斯在采空区“三带”的赋存规律、经验公式[13]及综放条件下垮落带和裂隙带高度统计公式[14]进行计算，确定“三带”高度和钻孔布置参数[15]，为后续进行钻孔选择合适的层位提供理论依据。采动覆岩垮落带Hm和裂隙带高度Hf计算见式(1)(2)(3)(4)。
(1)
(2)
(3)
Hf=(1～3)Hm
(4)
式中，M为采厚，m；
k为冒落顶煤碎胀系数，取1.25；
α为煤层倾角，α=5°。
8105工作面累计采厚为6.0 m，根据公式(1)计算得垮落带高度范围为23.24～32.76 m，式(2)计算得23.69 m，因此得垮落带高度为23.69 m。根据公式(3)计算得裂隙带高度范围为60.96～74.74 m，式(4)计算得23.69～71.07 m，因此得裂隙带高度为71.07 m。
综上，设计的高位钻孔垂直距离Hz取值范围为23.69 m 2.2.2 钻孔窥视 为验证理论计算的准确性，采用CXK12(A)-Z钻孔成像仪于回风巷对3号煤层裂隙发育情况进行窥视。 如图3所示，0～22.7 m区域破坏严重，孔壁破碎； 图3 6#钻孔裂隙发育窥视情况Fig.3 Peep at the development of 6# drilling hole fracture 钻场布置在8105风巷一侧，距回风绕道490 m，钻场5 m×7 m×3 m(深×长×高)。根据地质情况和巷道实际情况，设计施工6个定向钻孔，孔深300～315 m。为提升瓦斯抽采效率和钻孔成孔的安全高效，采用二次扩孔技术。即先施工φ120 mm小直径先导孔，后采用φ120 mm/φ165 mm/φ203 mm组合塔式扩孔钻头扩孔得到203 mm大孔径钻孔。根据计算结果，高位钻孔垂直距离Hz取值范围为23.69～71.07 m，选择在3号煤层顶板以上24～71 m。水平距离Hx取值范围20～50 m，选择层位控制在距离8105风巷水平20～50 m。 为了明确8105回采面高位定向裂隙带钻孔的抽采情况，在8105风巷掘进1#钻场。实际共施工6个钻孔，施工总进尺为1 797 m，各钻孔实际施工参数见表1。 表1 王庄煤矿8105工作面风巷1#钻场定向钻孔实钻参数 1#、2#、4#、6#钻孔从10月25日开始接抽，3#、5#钻孔从11月8日开始接抽。各钻孔抽采数据如图4～6所示。 图4 8105工作面风巷各钻孔瓦斯抽采混量Fig.4 Gas extraction and mixing amount of each drilling hole in the air roadway of 8105 working face 图5 8105工作面风巷各钻孔瓦斯抽采平均纯量Fig.5 Average net amount of gas extraction from each drilling hole in the air roadway of 8105 working face 图6 8105工作面风巷各钻孔瓦斯抽采平均浓度Fig.6 Average concentration of gas extraction from each drilling hole in the air roadway of 8105 working face 可以看出，随着抽采时间推进，1#、2#钻孔有相似的结论，即钻孔瓦斯抽放混量和纯量没有明显的变化，抽采效果较差，结合其实际施工参数判断，其主要可能是钻孔施工层位在同一高度较为接近的原因[18 -20]。3#定向钻孔随着时间推进，钻孔抽采混量较大，瓦斯浓度较低； 4#定向钻孔10月25日开始接抽，抽采纯量与抽采浓度整体上逐渐下降，但相较于其他钻孔均处于较佳水平。抽采混量随着时间推进呈现总体上升水平，12月4日达到最高水平，为20.5 m3/min。抽采纯量最高水平为10月26日的6.8 m3/min。总体分析，4#定向钻孔在6个钻孔中抽采效果最好。结合3#、6#这2个钻孔的终孔位置，4#定向钻孔的层位选择最为理想。 (1)通过“三带”高度理论计算，并经井下钻孔窥视基本确定了采空区裂隙带高度范围是23.69～71.07 m。由此确定终孔位置为距煤层顶部高度24～71 m，距风巷水平距离20～50 m的条带范围内。 (2)根据抽采效果分析，4#定向钻孔抽采效果最好；
22.7～74.5 m区域受到采动应力压剪破坏，裂隙发育并逐渐密集，其中56.9 m附近裂隙发育程度高；
74.5 m以上区域较为平整，仅有轻微破碎。可以发现，3号煤层垮落带大概范围是0～22.7 m，裂隙带大概范围是22.7～74.5 m，弯曲下沉带大概范围在74.5 m及以上。钻孔窥视法得出“三带”高度的范围与理论计算结果基本一致，故钻孔垂直距离层位总体选择较为合理。综上所述，终孔距煤层顶部高度范围选择23.69～71.07 m。
3.1 钻孔设计与施工
3.2 瓦斯抽采效果分析
11月29日瓦斯抽采纯量最高，为3.5 m3/min，瓦斯抽采总混量21.5 m3/min，钻孔瓦斯浓度为16.2%。6#定向钻孔初始瓦斯抽采效果较好，10月25日瓦斯抽采纯量最高，为4.4 m3/min，瓦斯抽采总混量13.3 m3/min，钻孔瓦斯浓度为33.6%。5#定向钻孔瓦斯抽采效果整体呈现一个逐渐下降又逐渐上升的走势，11月19日瓦斯抽采纯量最高，为5.1 m3/min，瓦斯抽采总混量26.8 m3/min，钻孔瓦斯浓度为19%。6#定向钻孔抽采数据呈现整体逐渐走低的现象，在11月15日瓦斯抽采混量最大，但是瓦斯浓度较低。当5#钻孔开始抽采时，6#钻孔瓦斯抽采效果开始逐渐变差。根据5#钻孔与6#这2个钻孔实际位置与抽采关系可知，2个钻孔可能发生穿孔现象，致使6#钻孔吸入大量空气，故认为5#钻孔与6#钻孔存在裂隙导通的现象。结合3#、6#这2个定向钻孔其施工参数判断，钻孔分别可能位于裂隙带下部和裂隙带上部。
垂直距离55.6 m，水平距离33.8 m是各钻孔里最为理想的层位，瓦斯抽采浓度最高达到35%。总体而言，本次大孔径高位钻孔总体选择的层位较为合理。