深部厚煤层开采存在“三高一扰动”特征[1]，煤层瓦斯含量显著增大，冲击地压和瓦斯复合灾害工作面快速回采常诱发瓦斯异常涌出[2-3]。顶板钻孔是治理工作面瓦斯异常涌出的有效措施，钻孔设计需要合理确定顶板钻孔的施工层位，其关键是确定工作面顶板导气裂缝带的高度区间。只有将顶板钻孔水平部分布设在工作面上覆岩层的导气裂缝带内，才能起到较好的瓦斯抽采效果。常见的顶板导气裂缝带的确定方法有工程类比法、经验公式法[4]、数值模拟法[5]、物理相似模拟法等。传统的顶板瓦斯抽采是在工作面回采巷道每隔一定距离施工一个高位钻场，在钻场内向顶板施工数组高位钻孔抽采顶板裂缝带瓦斯；10余年来，随着钻进技术的提升[6-8]，定向钻孔抽采瓦斯在井下巷道掘进[9]和工作面回采[10-12]中大量应用。定向钻孔抽采瓦斯具有施工钻场少、施工过程中对生产干扰少、瓦斯抽采浓度和抽采量波动变化小等优点，但是对钻孔施工层位准确度要求较高。

唐口煤矿作为采深超过1 000 m的高瓦斯矿井，随着采深的逐渐增大，冲击地压显现活动增强，煤层瓦斯含量增大，再加上集约化工作面高强度快速回采，瓦斯异常涌出现象频发，造成井下局部地区有可能出现瓦斯超限，严重影响工作面安全生产，因此必须采取必要的措施降低工作面瓦斯浓度。在分析6305工作面回采后顶板裂缝带发育范围的基础上，研究了顶板定向钻孔在唐口煤矿的合理层位及其瓦斯抽采效果，并与传统的高位钻场钻孔抽采技术进行对比分析，为同类工作面瓦斯治理提供参考。

1 工程概况

唐口煤矿位于山东省济宁市，630采区主采3号煤层，埋深935.4～990.0 m，煤层倾角约3°，煤层平均厚度为10.08 m；煤层结构简单，受断层及褶曲等构造影响较小。6305工作面走向长1 166 m，倾向长65 m。6305工作面煤层顶板岩性及厚度如图1所示。

回采前测定3号煤层瓦斯含量在0.73～2.58 m3/t之间，预测6305工作面相对瓦斯涌出量为0.40 m3/t，绝对涌出量为4.6 m3/min，局部瓦斯涌出量变化较大。煤自然发火期为69～156 d，煤尘具有爆炸危险性。

6305工作面采用U型通风，走向长壁综采放顶煤采煤法进行回采，全部垮落法管理顶板。6305工作面是典型的集约化工作面，平均推进速度可达10 m/d左右甚至更高，是一般综放工作面回采速度(4～6 m/d)的2倍左右；割煤高度为4.50 m、放煤高度为5.58 m，开采强度极大。

2 定向钻孔合理布置层位确定

在工程条件分析的基层上，采用经验公式计算和数值模拟分析的方法求解6305工作面顶板裂缝带高度及范围。

2.1 经验公式计算

采煤工作面上覆顶板岩层导气裂缝带高度范围可以根据工作面回采后采空区的冒落带、裂缝带的高度计算，具体由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中公式计算得出。6305工作面上覆岩层多为泥岩、中砂岩、细砂岩，属中硬类型顶板，上覆岩层裂缝带计算如式(1)、式(2)：

式中：Hm——采空区冒落带高度，m；

Hl——采空区裂缝带高度，m；

ΣM——煤层开采高度，m。

6305工作面煤层厚度10.08 m，假设割煤高度和放煤高度合计等于煤层厚度，即全部煤厚采放完全。根据顶板各岩层的岩性，带入计算并结合经验分析，取6305工作面的冒落带高度为17.4 m、裂缝带高度为45.5 m，即顶板导气裂缝带的高度区间为煤层底板以上17.4～45.5 m。

2.2 数值模拟分析

6305工作面回采巷道断面为近似5 m×4 m的矩形，采煤工作面开切眼断面为5 m×4 m。结合工作面尺寸再加上10～20 m的距离以减小边界效应，取130 m长的工作面分析；综合考虑网格质量及计算速度，采用Design Model最终建立尺寸为130 m×75 m×65 m(走向×倾向×高)的数值模型。采用Mesh模块对模型进行网格划分，如图2所示。

为简化数值模型，根据现场实际情况对计算模型作出如下假设：

(1)3号煤层倾角3°，简化为水平煤层；

(2)忽略巷道断面长度方向上的变化及巷道变形，将工作面回采巷道与开切眼简化为标准矩形；

(3)忽略支架与采煤机等巷道内机电设备对风流的影响；

(4)忽略工作面周期来压与冲击动力现象对采空区瓦斯运移的影响；

(5)忽略巷道煤壁瓦斯自然涌出对瓦斯抽采的影响。

按照以上假设，工作面风量取平均值1 760 m3/min，瓦斯抽采压力为-13 kPa[13]，将模型生成网格导入Fluent。 数值模拟方案参数见表1。根据上文计算，顶板导气裂缝带的高度区间为煤层底板以上17.4～45.5 m，按照传统采高M倍数的度量方式，依表1所示方案模拟6305工作面单一钻孔瓦斯抽采，分析瓦斯抽采情况。

通过加权平均计算抽采钻孔孔壁周面的瓦斯质量流量分数，得出单孔瓦斯抽采浓度随钻孔终孔高度变化的规律，如图3所示。

从图3可以看出，当钻孔终孔高度处在较低的2M、2.5M高度时，钻孔终孔处于顶板冒落带上方，裂隙空间发育，孔隙率也较大，但是由于瓦斯在自由空间内向上部空间运移集聚，且钻孔大部分处在冒落带范围内，因而瓦斯抽采浓度相对较低，仅处于10%～11%的水平。当钻孔终孔位置由3M逐渐升高到4M时，钻孔终孔进入到顶板裂缝带范围的上部区域，瓦斯集聚浓度高；钻孔下部受采动影响相对较小，漏风量逐渐减小，因而抽采瓦斯浓度由20%快速增加到40%左右。当钻孔终孔高度为4.5M时，终孔高度处于裂缝带上部边界附近，裂隙空间逐渐被压实，钻孔在裂缝带内的有效长度占比较小，实际抽采的瓦斯量和瓦斯浓度逐渐降低。

综上，单一钻孔抽采条件下，随着钻孔终孔高度的逐渐增加，钻孔抽采裂缝带内瓦斯浓度呈现出先升高后降低的趋势，并在距煤层底板4M高度(40.32 m)处达到峰值。因此，6305工作面顶板钻孔的合理布设层位为距煤层底板4M高度附近，这也与前文的经验公式计算结果相符。

3 定向钻孔布置方案

工作面顶板“O-X”破断垮落形成“O型圈”导气裂缝带[14-15]，煤层倾向不同位置的裂缝带高度范围有所差异，因此实际施工时应根据现场情况对沿倾向方向不同位置处高位钻孔的终孔点高度进行相应调整。采用ZYWL-6000DA型煤矿用履带式全液压钻机在6305胶带运输巷与6305联络巷交叉口钻场内向胶带运输巷内侧顶板裂缝带内施工3组钻孔，包括3个主孔和1个分支孔，施工参数见表2，具体定向钻孔施工布置如图4所示。定向钻孔按照2号、3号、1号孔的顺序逐次施工。实际钻孔施工的平均机械钻速由2号孔的25 m/班，逐渐提高到1-1号孔的61 m/班，单班最大进尺75 m/班，单日最大进尺216 m。

4 定向钻孔瓦斯抽采效果

钻孔施工完成后，立即接钻孔抽采管路，同时在各分支钻孔预留瓦斯流量测定口和取样口，1号、1-1号分支钻孔合并考察，对瓦斯抽采流量和瓦斯抽采浓度进行监测，如图5。

(1)1号钻孔的单孔抽采量在15～18 m3/min，2号钻孔单孔抽采量在16～18 m3/min，3号钻孔单孔抽采量为5～9 m3/min。3组钻孔总瓦斯抽采量为39～44 m3/min。高位钻孔单孔平均瓦斯抽采量为6 m3/min，总瓦斯抽采量为34～36 m3/min。相比传统高位钻孔，由于瓦斯抽采距离缩短，钻孔直径变大，形成更大的抽采比表面积，且抽采过程中不存在抽采位置的高低变化，瓦斯总抽采量增加了5～8 m3/min，增幅为14.7%～22.2%。在这3组钻孔中，3号钻孔抽采量最小，主要是由于3号钻孔布置在中砂岩中，且钻孔偏离胶带运输巷进入工作面12 m左右，工作面回采后垮落呈漏斗形，在顶板来压和地应力的作用下钻孔受压变形，造成钻孔塌孔，钻孔内空间变小，同等负压条件下瓦斯抽采相对较小；1号钻孔、2号钻孔水平孔段主要分布在细砂岩和粉砂岩中，岩层硬度大，不易塌孔；1号钻孔合并计算1-1号分支孔，因此抽采量相对较大。对比可知，将顶板定向钻孔布置在6305工作面顶板的细砂岩和粉砂岩中，同时减小钻孔进入工作面的距离，可以进一步增大单孔瓦斯抽采量。

(2)1号钻孔抽采浓度在7%～13%之间，2号钻孔抽采浓度在5%～7%之间，3号钻孔抽采浓度在9%～15%之间。其中，3号钻孔抽采浓度最高，也离工作面运输巷最远，1号钻孔次之，2号钻孔由于施工过程中曾经碰到一根锚索，可能存在漏气，导致瓦斯抽采浓度最小。传统钻场高位钻孔的平均瓦斯抽采浓度为5%～10%。相较而言，顶板定向钻孔的整体瓦斯抽采浓度提高了2%～5%。

(3)1号钻孔单孔抽采纯量为1.2～2.0 m3/min，2号钻孔单孔抽采纯量为0.8～2.0 m3/min，3号钻孔单孔抽采纯量为0.7～1.2 m3/min。其中，3号钻孔布设层位最高，由于高位裂缝空间的重新压实及顶板岩层变形破坏导致钻孔局部坍塌，其瓦斯抽采纯量较低；2号钻孔在施工过程中碰到一根锚索，可能存在漏气，导致瓦斯抽采量较大而瓦斯抽采浓度和纯量相较1号钻孔小；1号钻孔由于所在岩层较硬，钻孔成孔状态好，瓦斯抽采浓度高，抽采纯量大。3组钻孔总瓦斯抽采纯量为3～5 m3/min，多稳定在3～4 m3/min；相比传统高位钻孔1.6～2.5 m3/min的总瓦斯抽采纯量，增加了1.4～1.5 m3/min，增幅高达60.0%～87.5%。

从瓦斯治理效果上看：对比分析瓦斯抽采效果和定向钻孔布置的位置关系，随着钻孔层位的提高，距离巷帮水平距离的增大，瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯流量逐渐增大，进一步验证了裂缝带瓦斯的分布规律与经验计算和数值模拟结果相符；传统高位钻孔抽采时的工作面回风流瓦斯浓度基本在0.25%～0.32%之间，隅角瓦斯浓度在0.42%～0.65%之间，顶板定向钻孔抽采后的工作面回风流瓦斯浓度稳定在0.22%～0.25%之间，隅角瓦斯浓度在0.35%～0.55%之间，达到了更优的瓦斯治理的效果。

5 定向钻孔施工工效分析

5.1 工程量比较

取每500 m工作面回采巷道作为1个单元施工瓦斯抽采钻孔比较。使用普通钻机施工高位钻孔，钻场间距50 m，需要开10个钻机房，每个钻场施工3个高位钻孔，钻孔平均长度为100 m，则每个钻场需要施工钻孔长度为300 m，500 m巷道施工钻孔总长度为3 000 m。使用千米定向钻机施工，需要施工1个钻场、3组钻孔，每个钻孔500 m，施工钻孔总长度为1 500 m，钻孔总工程量减少50%。

5.2 施工时间比较

普通钻机(杭钻)施工，平均每个钻孔需要2.5 d(含拖移钻机时间)，30个钻孔需要75 d；定向钻机施工，在6305工作面施工平均速度为70 m/d，3个钻孔需要21 d，施工时间缩短了72%。

5.3 施工费用比较

(1)高位钻场钻孔：由外委单位施工，钻孔(含空口管及花管费用)520元/m，钻场2万元/个，钻孔施工共计费用176万元。移设瓦斯抽采钻孔、回撤抽采管路、投入瓦斯抽采管路费用合计16万元。每500 m回采巷道合计费用192万元。

(2)顶板定向钻孔：由钻机制造单位施工，钻孔600元/m，钻机房2万元/个，每500 m回采巷道共需费用92万元。

经计算，每500 m巷道能够节约成本100万元。

6 结论

(1)6305工作面的冒落带高度为17.4 m、裂缝带高度为45.5 m，裂缝带区间为17.4～45.5 m，其中距煤层底板40.32 m处是布置顶板定向长钻孔的最佳层位。

(2)6305厚煤层快速回采工作面顶板定向钻孔瓦斯抽采量为39～44 m3/min，比高位钻孔增加5～8 m3/min，增幅达14.7%～22.2%；顶板定向长钻孔抽采瓦斯浓度最大可达15%；定向钻孔瓦斯抽采纯量比高位钻孔增加了1.4～1.5 m3/min，增幅高达60.0～87.5%。

(3)与传统高位钻场钻孔抽采顶板裂缝带瓦斯相比，采用定向长钻孔能够在保证不降低瓦斯治理效果的前提下，钻孔总工程量减少50%，施工时间缩短72%，每500 m回采巷道能够节约成本100万元。

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Research on reasonable horizon determination and drainage effect analysis of roof directional gas drainage boreholes

XUE Weichao1, 2

(1.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Shenyang Research Institute of ChinaCoal Technology and Engineering Group, Fushun, Liaoning 113122, China;2. School of Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)

Abstract Rapid recovery of working face in deep and thick coal seams often induces abnormal gas emission. According to the engineering conditions of 6305 working face in Tangkou Coal Mine, the height interval of the air conduction fracture zone in the roof of 6305 working face was calculated by theoretical formula, the optimal design horizon of directional long borehole was analyzed by Fluent simulation and 4 long directional boreholes in 3 groups were constructed. The gas drainage effect by directional boreholes was observed and compared with the traditional high-level boreholes. The results showed that the interval height of the roof fracture zone of 6305 working face was 14-45 m from the coal seam floor; the distance of optimal layout horizon of the directional long borehole from the coal seam floor was 40.32 m which was equal to 4 times of mining height; the gas drainage volume of the roof directional long borehole was 39-44 m3/min, and the gas concentration reached 15%, and the pure gas volume was 3-5 m3/min; compared with the traditional high-level borehole gas drainage, the roof directional borehole gas drainage could reduce the total borehole engineering amount by 50% and the construction time by 72%, and save 1 million yuan in cost per 500 m mining roadway without reducing the gas control effect.

Key words roof directional drilling; reasonable horizon; abnormal gas emission; high-level borehole; fracture zone; rapid mining

引用格式：薛伟超.顶板定向瓦斯抽采钻孔合理层位确定及其抽采效果分析[J].中国煤炭，2022,48(4)∶41-47. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.007

XUE Weichao.Research on reasonable horizon determination and drainage effect analysis of roof directional gas drainage boreholes[J].China Coal,2022,48(4)∶41-47. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.04.007

基金项目：河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室开放基金(SYYD-20WS-004)，中煤科工集团沈阳研究院创新引导项目(SYYD-21WS-002)

作者简介：薛伟超(1988-)，男，河南沁阳人，助理研究员，博士研究生，主要从事矿井深部动力灾害防治研究工作。E-mail：xinshijixue@163.com

中图分类号 TD712

文献标志码 A

(责任编辑 张艳华)