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摘要：为解决普通高位钻孔抽采效果不佳问题，以铺龙湾矿5110工作面瓦斯治理为工程背景，提出了以顶板高位定向长钻孔抽采为主的瓦斯抽采方案。通过高位裂隙层位理论分析和历史实际考察情况，确定5110工作面定向高位裂隙抽采层位定在25～50 m之间。现场抽采效果表明，定向高位钻孔抽采期间，上隅角瓦斯明显减少，隅角瓦斯浓度维持在0.30%～0.48%之间。定向钻孔抽采瓦斯浓度与工作面顶板来压密切关联，顶板来压时抽采浓度均有明显增加。
关键词：定向高位；瓦斯涌出；采空区；瓦斯抽采
0引言
随着煤矿开采强度的增加，突出煤层回采工作面即使消除煤层突出危险，往往由于开采强度大，致使瓦斯涌出量大，威胁矿井安全生产。以前矿井主要采用从回风顺槽向高位裂隙带施工钻孔抽采采空区瓦斯，但由于钻孔控制范围小，钻孔后期施工影响大，钻孔维护困难，给现场工作带来较大的负担。随着技术装备的发展，目前定向长钻孔已经成为一项成熟的技术，将其应用到煤矿采空区瓦斯抽采在很多矿区取得了较好的效果，定向高位钻孔一次性控制范围大，可控制采空区瓦斯流向，使得采空区涌出的瓦斯向高位富集，然后在负压的引导下进入高位钻孔，形成独立于工作面通风的一个气流闭环[1]。采空区瓦斯不再涌向工作面，从而将工作面回风瓦斯浓度很容易控制在较低的浓度，如图1所示。但钻孔布置的层位是否合理，直接影响到瓦斯抽采效果，因此，应根据回采煤层高度、顶板岩层力学性质，合理地布置高位定向长钻孔的层位，从而达到提高瓦斯抽采的精准性和有效性，实现精准抽采采空区瓦斯。
1矿井概况
铺龙湾矿5110工作面现开采5#煤层，5#煤层瓦斯含量12 m3/t左右，最高瓦斯压1.5 MPa，采用穿层钻孔水力扩孔工艺超前预抽，预抽4～6个月后抽采达标，最大残余瓦斯含量不大于6 m3/t。试验工作面日产量为4 000 t，根据残余瓦斯含量计算，若不采取采空区瓦斯抽采措施，工作面风排瓦斯将远超5 m3/min的限制要求。因此，在工作面回采期间需依靠高位裂隙钻孔解决回采期间的上隅角及采空区瓦斯。5110工作面此前采用普通高位钻孔抽采瓦斯，钻孔孔径Φ94 mm，控制长度40 m，每组钻孔间距15 m，每组钻孔重叠20 m，从而实现连续抽采的目的。但在钻孔抽采期间，受回顺超前支护及剃棚影响，每组钻孔实际抽采时间仅2～4 d，随后抽采纯量开始急剧衰减，为保障5110工作面采空区及上隅角瓦斯治理效果，设计在5110回风顺槽开展定向高位长钻孔抽采采空区瓦斯效果考察。
2高位裂隙层位选择
2.1定向高位钻孔布置层位理论分析
5110工作面5#煤工作面直接顶岩性为粉砂岩、粉砂质泥岩，厚度1.74 m，灰黑色，薄层状构造，普氏系数4.5，稳定性较差；基本顶为细砂岩，厚度9.0 m左右，裂隙较发育，5#煤层顶板距2#煤层底板间距平均16.0 m，顶板按照软弱顶板进行考虑，考虑其煤厚变化6～10 m，裂隙带最大高度按式（1）计算：
经计算，5#煤工作面裂隙带高度为21.4~46.7 m。
2.2高位裂隙层位实际考察情况
铺龙湾矿在5109工作面回采时，首采对高位裂隙钻孔进行考察。其中，当控制层位位于40～50 m时，瓦斯抽采效果最佳，浓度基本维持在12%～30%之间。为了准确提高裂隙带考察数据，2021年5109工作面末采阶段，在5109回顺施工高位长钻孔一组，设计钻孔5个，钻孔水平投影90 m，末端控制层位50 m。该钻孔在末采期间，瓦斯抽采浓度最高达到了80%，钻孔有效抽采层位为25～50 m，在抽采期间上隅角瓦斯下降0.2%～0.3%。综合前述理论分析层位以及在5109和5109工作面期间基于实际钻孔抽采效果获得数据，同时考虑试验工作面煤层厚度变化影响，5110工作面定向高位裂隙抽采层位定在25~50 m之间。
3 5110工作面高位定向长钻孔
3.1钻场设计
在5110工作面回顺设置3个钻场，其中1号钻场设置在距工作面切眼400 m，主要用于采面前400 m回采期间的瓦斯治理及后期钻孔的层位考察；钻场规格：10 m×3 m×3 m（长×宽×高），钻场全部进行底板硬化，并在钻场前后施工地锚各6根用于固定施工钻机，每个钻场均配套施工水仓，确保钻孔正常施工[2]。定向高位钻孔抽采采空区瓦斯示意图如图2所示。
3.2定向高位钻孔设计
根据施工装备情况，本次定向高位长钻孔抽采选择Φ120 mm孔径，经过以下计算，单孔抽采混量如式（2）所示：
式中：Q为DN120 mm钻孔的抽采流量，m3/min；V为钻孔的经济流速取10～15 m/s；r为直径120 mm钻孔的半径，m。受到流速限制根据公式计算孔径Φ120 mm钻孔单孔最大瓦斯抽采混合流量10.17 m3/min，最小瓦斯抽采混合流量6.78 m3/min。
5110工作面需采用高位定向钻孔抽采的瓦斯纯量为5 m3/min，其中推采期间瓦斯涌出量最大，瓦斯不均衡系数按照1.5计算，钻孔平均抽采浓度按照15%考虑，抽采混量最大为50 m3/min，根据以上计算结果，为了确保回采工作面瓦斯治理效果，每组高位定向长钻孔至少布置5个钻孔，钻孔与终孔间距10 m，钻孔孔径选择为Φ120 mm，抽采负压不低于13 kPa，为预防相邻已开采的5109工作面采空区瓦斯涌出导致工作面瓦斯增大的问题，在1号钻场内额外设计6#钻孔外错回风顺槽帮部2.5 m，用于拦截相邻5109工作面采空区瓦斯。6个钻孔布置在不同的层位，从而对不同层位抽采效果进行考察，考察层位35～48 m，为后续钻孔施工层位选择提供依据。
钻孔主要施工设备包括ZYL-15000D煤矿用履带式全液压定向钻机、BLY490/8型泵车、YHD2-1000（A）孔口供电随钻测量系统、Φ89 mm-5孔底螺杆马达、Φ89 mm通缆钻杆、Φ89 mm/73 mm大通径宽翼片螺旋钻杆及其他配套钻具及装备。
4定向高位钻孔施工及抽采效果分析
4.1定向高位钻孔竣工情况
1号钻场自2021年12月25日开始准备，钻孔自2022年1月20日开始施工，3月4日施工完成，3月8日开始并网连抽。累计施工钻孔6个，施工进尺2 434.6 m。所有钻孔均按照设计要求施工完成，钻孔成孔良好，终孔轨迹清晰，施工记录齐全。钻孔竣工参数见表1。
4.2定向高位钻孔瓦斯抽采效果分析
矿井于3月8日开始对1号钻场6个钻孔抽采浓度进行考察，每天安排人员进行数据收集定向钻孔抽采浓度数据及上隅角瓦斯数据，结合工作面实际情况，由通风部门对数据进行分析。考察期间，层位位于25 m的5#钻孔在上隅角、采空区瓦斯较大时抽采效果特别好，初抽期间最大瓦斯浓度可达100%，随着定向钻孔继续抽采，采空区瓦斯逐渐减少，5#钻孔抽采浓度急剧减少，最终瓦斯抽采浓度稳定在5%左右；其他的5个层位的定向钻孔，在初采期间钻孔抽采浓度也达到50%的水平，随着采空区积聚的瓦斯被抽采，浓度下降并维持在3%～15%之间，如图3所示。
本次试验考察期间，发现定向高位钻孔抽采瓦斯浓度与工作面顶板来压密切关联，顶板来压时抽采浓度往往有明显增加，但相应地也导致了工作面上隅角瓦斯浓度小幅上升，例如3月16日和3月23日两次顶板来压期间，上隅角瓦斯浓度有小幅升高，如图4所示。6#钻孔用于拦截邻近已采5109工作面采空区瓦斯，从抽采浓度看，抽采效果较好，达到预期目的。
从本次试验结果总体看，定向高位钻孔抽采期间，上隅角瓦斯浓度明显降低，隅角瓦斯浓度从未抽采之前0.7%左右，下降至0.30%~0.48%之间，且上隅角瓦斯浓度稳定，达到预期效果。
在1号钻场抽采考察期间，发现高位抽采钻孔稳定后的抽采浓度普遍偏低，稳定抽采期间抽采浓度最大的4#钻孔，抽采浓度低于20%。考虑到5110工作面继续回采，垮落三带继续发展并向上部扩展，因此对后续的2#钻场施工钻孔数据进行调整，将钻孔终孔层位向上提高5～10 m，继续考察定向高位钻孔抽采效果。
5结论
现场结果表明，定向高位钻孔控制层位布置在上部25～50 m之间，抽采采空区瓦斯效果良好，在定向高位钻孔抽采期间，上隅角瓦斯明显减少，上隅角瓦斯浓度从0.7%下降至0.30%～0.48%之间。布置1个外错回风顺槽的定向高位钻孔，抽采相邻已采工作面采空区瓦斯很有必要，并且取得较好的抽采效果。考虑到5110工作面继续回采，垮落三带继续发展并向上部扩展，后续的定向高位钻孔层位应向上提高5~10 m，并进一步考察抽采效果。
参考文献
[1]段会军.综放工作面高位定向长钻孔瓦斯抽采技术[J].煤炭技术,2017（4）：3-6.
[2]杜回东.高位定向长钻孔在综放工作面顶板裂隙瓦斯抽采中的应用研究[J].山西冶金，2022（4）：45.
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