1、煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.2023050240引言目前我国突出矿井瓦斯治理主要采用地面定向钻孔预抽、开采保护层和底抽巷穿层钻孔等技术，但是不论如何选择，都要面临采空区瓦斯治理的难题。工作面回采过程中，瓦斯会向上移动，聚集在上隅角或采空区内，特别是在采空区放顶煤不完全或留底煤的情况下，煤体卸压大量释放瓦斯，造成上隅角瓦斯异常升高，或周期来压时采空区瓦斯大量涌出造成瓦斯超限，给煤矿安全回采造成重大影响。近年来随着定向钻机的大量应用，以孔代巷技术迅速发展，可替代高抽巷满足采空
2、区瓦斯抽采需求，同时也可降低上隅角瓦斯含量，提高回采期间的瓦斯防治安全。以白坪煤业公司13031工作面为例，分析地质条件，通过覆岩破坏理论计算，开展了采空区裂隙带定向长钻孔施工，构建了定向长钻孔群高效抽采技术效果评价指标体系，搭建了效果评价模型，取得了较好的效果。1高位钻孔以孔代巷技术原理及优势（1）技术原理高位钻孔以孔代巷采空区卸压瓦斯抽采是指在目标层位施工定向长钻孔（群），并连接负压，将目标层位内的卸压瓦斯抽出，防止采空区内瓦斯聚集而发生异常涌出现象。以孔代巷抽采采空区卸压瓦斯示意图如图1所示。高位定向长钻孔群高效抽采技术及效果评价郑付亮（郑煤集团（河南）白坪煤业有限公司，郑州450000
3、）摘要：为解决采空区卸压瓦斯聚集造成工作面瓦斯治理困难的问题，对白坪煤业两带高度进行计算，并根据分析、计算结果设计高位定向长钻孔对采空区瓦斯进行抽放，根据钻孔的抽采浓度分析采空区裂隙发育情况，确定最佳抽放位置，并建立基于层次分析法的评价模型，对抽采效果进行评价。结果表明：白坪煤业覆岩垮落带和裂隙带发育最大高度范围分别为11.0420.56 m和22.3254.24 m；高位钻孔终孔位置控制在裂隙带网络核心位置抽采效果最佳，一般为距二1煤顶板1719 m；白坪煤业13031工作面抽采效果一级指标均为优秀。实践证明，采用高位定向长钻孔以孔代巷技术可以对采空区卸压瓦斯进行有效治理。关键词：定向长钻孔
4、；高效抽采；效果分析；评价中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0075 04High-efficient Extraction Technology and Effect Evaluation of HighDirectional Long Borehole GroupZheng Fuliang(Zhengmei Group(Henan)Baiping Coal Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China）Abstract:In order to solve the problem of working fac
5、e gas management difficulties caused by pressurerelief gas accumulation in the goaf,the height of two zones of Baiping coal industry was calculated,andhigh directional long borehole was designed according to the analysis and calculation results for gasdrainage in the goaf.According to the extraction
6、 concentration of the borehole,the development of thefissures in the goaf was analyzed,and the optimal drainage location was determined.The evaluationmodel based on analytic hierarchy process was established to evaluate the effect of extraction.Theresults are as follows:the maximum height ranges of
7、caving zone and fracture zone are 11.04-20.56 mand 22.32-54.24 m,respectively.It is best to control the position of the end hole of the high-positionborehole at the core of the fractured zone network,which is about 17-19 m away from the roof of the二1coal.The first level index of extraction effect of
8、 13031 working face of Baiping coal industry isexcellent.Practice has proved that the high directional long borehole is used to effectively control thepressure relief gas in goaf.Key words:directional long borehole；high-efficient extraction；effect analysis；evaluation75（a）高位瓦斯抽放巷抽采（b）高位定向钻孔抽采图1高位瓦斯抽放
9、巷和定向钻孔抽采卸压瓦斯（2）采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术优势经济优势以孔代巷技术可以节约1条顶板抽放巷，节约大量施工费用，同时抽采瓦斯可用来发电并网，提高经济效益；工期优势单钻机施工5个高位定向钻孔约需180 d，相比施工高位抽放巷工期至少节省90 d；环保优势高位定向钻孔施工不产生矸石，不会带来环保压力。2工作面概况白坪煤矿13031工作面位于-175 m水平13采区，平均埋深约600 m，对应地表为山地。主采二1煤层，煤层厚度0.1018.90 m，平均3.8 m，结构简单，平均倾角10，受白坪滑动构造影响，煤层赋存不稳定，松软、破碎，硬度系数f=0.15。煤层顶、底板情况如表1所示。表
10、1工作面煤层顶、底板情况表3采动卸压理论分析及钻孔设计不同地质条件的矿井由于岩层组合及力学性质差异导致顶板上三带发育高度不同。因此，要对岩层条件进行分析，计算裂隙带发育高度，才能合理设计定向长钻孔。3.1采动卸压分析沉积岩在固结成岩过程中会形成原生裂隙，在成岩后受构造运动影响产生构造裂隙，这些裂隙通常规模小、连通性差。随着煤炭回采，采空区覆岩原岩应力平衡被打破，上覆岩层发生脆性断裂、塑性变形和弹性变形，形成垮落带、断裂带（裂隙带）和弯曲下沉带，如图2所示。这时裂隙带发育规模较大，可互相连通，沟通原生裂隙和构造裂隙，形成一个裂隙网络，能够导通和存储大量瓦斯。煤层回采后，采空区落煤和临近煤层卸压产
11、生大量瓦斯，由于瓦斯较空气轻，能够自发向上部运移，因此垮落带内瓦斯含量较低，大量瓦斯赋存在裂隙带内，特别是在周期来压期间，极易造成瓦斯超限。裂隙带能够存储瓦斯，同时也是瓦斯良好的运移通道，因此可利用其连通性对高浓度瓦斯进行抽放。其关键环节就是确定裂隙带的发育高度，有针对性地设计抽采钻孔。图2采动覆岩破坏及上三带发育3.2两带理论计算白坪煤矿二1煤直接顶为中粒砂岩，基本顶为泥岩，上覆岩石不存在极坚硬岩层，多为中硬或软弱岩层，根据相关研究成果，可得中硬岩层垮落带高度Hm=100M0.2M+20.876.43Hm=100M0.49M+19.124.7|1（1）软弱岩层垮落带高度Hm=100M0.93
12、M+38.8612.87Hm=100M-1.19M+28.574.7|6（2）中硬岩层裂隙带高度Hli=100M0.19M+7.7413.26Hli=100M0.26M+6.8811.4|9（3）软弱岩层裂隙带高度Hli=100M-0.93M+13.4615.96Hli=100M-0.33M+10.816.9|9（4）式中M煤层厚度，m。第44卷第5期Vol.44 No.5高位定向长钻孔群高效抽采技术及效果评价郑付亮类型基本顶直接顶直接底老底岩性泥岩中粒砂岩砂质泥岩L8灰岩厚度/m6.215.85.51.4硬度24574810岩性特征深灰色、浅黑色，厚层状，具水平层理，质地细腻浅灰色，以石英为
13、主，次为长石，夹泥岩薄层，裂隙发育灰黑色，粉砂泥质结构，断口平坦，具滑面，间夹细砂岩薄层灰色，具窄细裂隙，局部充填方解石脉被保护层卸压带裂隙带高位瓦斯抽放巷本煤层回风巷进风巷冒落带上煤层被保护层卸压带裂隙带高位定向长钻孔本煤层回风巷进风巷冒落带上煤层煤壁支承影响区离层区重新压实区弯曲下沉带断裂带垮落带76第44卷第5期Vol.44 No.5高位定向长钻孔群高效抽采技术及效果评价郑付亮13031工作面平均煤厚为3.8 m，利用式（1）式（4）对垮落带和裂隙带进行计算，得到顶板垮落带最大高度范围为11.0420.56 m，裂隙带最大高度范围为22.3254.24 m。3.3顶板高位定向长钻孔设计与
14、施工（1）钻孔设计13031工作面在施工高位定向长钻孔之前，施工过动压区顺层钻孔和顶板高位钻孔。根据钻孔抽放浓度情况结合垮落带和裂隙带计算结果，钻孔终孔位置设计在煤层顶板以上25 m处左右效果最佳。根据13031工作面柱状图，直接顶板大占砂岩厚度15.8 m，为脆性岩层，采动破坏强烈；其顶部发育厚度6.2 m的泥岩，岩质细腻，为塑性岩层；再向上又为砂岩层位。为了保证钻孔终孔层位能够到达裂隙网络的核心部位，使各个方向上的瓦斯能够顺利向终孔位置运移，达到最好的抽放效果，本次设计定向长钻孔5个，终孔层位于二1煤层顶板1035 m。（2）钻孔施工本次施工采用定向钻机型号为ZYL-6000D，共施工定向
15、钻孔6个，分支孔4个，终孔层位为煤层顶板以上1033 m，主孔有效进尺2 622 m，总进尺约3 000 m（含分支孔）。定向长钻孔施工参数如表2所示。表2高位定向长钻孔施工参数表4瓦斯抽采情况与效果评价4.1高位定向长钻孔瓦斯抽采情况1#钻孔终孔孔深345 m，终孔位置距煤层顶板1015 m，超出回采37 m，最高抽放浓度0.86%；2#钻孔终孔孔深342 m，终孔层位距煤层顶板2022 m，超出回采35 m，中间遇见煤层未穿过煤，最高抽放浓度4.5%；3#钻孔终孔孔深471 m，终孔层位距煤层顶板1719 m，超出回采106 m，钻孔中间塌孔严重，施工通过破碎带，最高抽放浓度18%；4#钻
16、孔终孔孔深216 m，终孔层位距煤层顶板1921 m，距回采90 m。中间遇见泥岩，钻孔出水；5#钻孔终孔孔深255 m，终孔层位距煤层顶板2233 m，距回采51 m。中间遇见泥岩，最高抽放浓度0.34%；补3#钻孔目前超出工作面回采位置220 m，该钻孔控制区域煤层顶板812 m，最高抽放浓度0.76%。其中，3#钻孔距煤层顶板1719 m，抽放浓度最大。由顶板岩层情况可知，3#钻孔终孔层位于大占砂岩上部的泥岩中，且并未穿过泥岩，该位置瓦斯抽放浓度最大，证明钻孔下部裂隙连通性较好且瓦斯浓度高，说明大占砂岩破坏严重，而其顶部泥岩根据受力情况不同裂隙发育程度也存在差异，其中下部受到一定破坏，顶部破坏相对较小，由于泥岩是塑性岩层，裂隙容易在应力作用下闭合，因此导致泥岩层位顶部裂隙较不发育，形成盖层，有利于下部岩层裂隙对瓦斯的贮存。4.2基于层次分析法的效果评价（1）效果评价指标建立高位定向长钻孔抽采效果评价指标，共分为3级，如表3所示。表3高位长钻孔抽采效果评价指标及权重计算结果二级指标和三级指标的关系：吨煤瓦斯抽采量K=K1QZ（5）式中K1系数，一般取K11.2；Q钻孔瓦斯自然涌出累
