0 引言
煤矿工作面瓦斯涌出量超量严重制约矿井安全生产，高位钻孔技术因施工时间短、效率高、治理效果好，已被广泛应用于工作面瓦斯治理[1]。付帅等[2]针对高应力近距离松软煤层群，利用轨迹测试仪并结合现场情况，提出了高位钻孔抽采优化方法。杨宏伟等[3]应用微地震监测技术分析了煤层顶板的裂隙空间，并依此优化高位钻孔参数。施式亮等[4]依据瓦斯流动“O”型圈理论与Fluent数值模拟分析，优化设计了高位钻孔瓦斯抽采工艺参数。杨明等[5]利用Fluent软件分析了斜交高位钻孔抽采效果。蔡文鹏等[6]利用分源预测法对瓦斯涌出源进行分析，提出了顶板走向高位钻孔瓦斯抽采方案。张海权等[7]采用大直径高位钻孔进行瓦斯抽采，验证了大直径高位钻孔代替高抽巷的可行性。刘健等[8]针对巨厚煤层采用物理相似模拟实验确定了工作面上覆岩层垮落带和裂隙带区域，并结合现场数据分析高位钻孔瓦斯抽采效果。刘建中等[9]采用高位钻孔配合埋管技术对工作面瓦斯进行治理，解决了上隅角瓦斯超限问题。刘桂丽等[10]通过数值模拟确定了不同开采速度条件下覆岩裂隙发育规律，并对高位钻孔抽采参数进行了优化。但采用高位钻孔瓦斯抽采存在钻孔数量多、单孔深度不足、钻孔轨迹不可控、瓦斯抽采浓度较低、抽采不连续等问题。
贵州黔西能源开发有限公司青龙煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，煤层原始瓦斯含量高，为有效防治该矿21602工作面上隅角瓦斯浓度超限，本文提出利用高位定向钻孔技术对上隅角瓦斯进行抽采，并分析高位定向钻孔瓦斯抽采效果，从而得出最佳的高位定向钻孔布置参数。
1 高位定向钻孔瓦斯抽采技术原理
定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具，使钻孔按设计要求延伸到预定目标的一种钻进方法。定向钻孔就是利用定向钻进技术控制钻孔轨迹钻至指定地点的钻孔。
高位定向钻孔瓦斯抽采原理：在工作面回采前，通过在回风巷内布置钻场，向煤层顶板进行钻孔[11]，使钻孔在采空区“O”形圈断裂带内延伸[12]，从而保证钻孔与采空区联通且长期有效稳定存在，同时利用工作面回采时采动压力作用形成的顶板裂隙作为瓦斯抽采通道，在抽采负压的作用下，瓦斯从裂隙进入钻孔，实现瓦斯高效抽采[13]。由于采空区内卸压瓦斯流动，瓦斯容易在采空区垮落带上方、裂隙带下方且靠近回风巷上隅角的位置形成瓦斯富集区[14]，所以，高位定向钻孔终孔位置落在瓦斯富集区附近的裂隙带内是进行瓦斯高效抽采的关键。
2 高位定向钻孔现场应用
2.1 21602工作面概况
21602工作面位于二采区西南翼，东南临11608工作面(已回采)，西北临21604工作面(已回采)，东北临风井保护煤柱及二采区回风下山。工作面进风巷走向长1 098 m，回风巷走向长940 m，切眼长163 m，面积为168 602 m2。工作面采用走向长壁后退式采煤方法一次采全高，全部垮落法管理顶板，最小控顶距为6.16 m。
21602工作面所采煤层为二叠系上统龙潭组16号煤层，厚度为1.3～3.2 m，平均厚度为2.6 m，煤层稳定，结构相对复杂，由东向西煤层逐渐增厚，绝大部分煤层厚度在2.0 m以上。煤层倾角为10～14°，平均倾角为12°。煤层普氏系数仅为0.3左右，煤层松软破碎严重，胶结性差。煤层埋深为149.3～231.2 m，瓦斯含量为11.25～19.05 m3/t，瓦斯含量随埋深的增加而逐渐增大且呈从北向南逐渐减小的趋势。受采动影响，工作面回采期间瓦斯涌出量较大，其中煤壁涌出瓦斯、采煤机割煤时涌出瓦斯全部进入工作面风流中，采空区遗煤涌出瓦斯也有部分进入工作面风流中，导致瓦斯在工作面上隅角区域聚集，瓦斯浓度超限。
2.2 高位定向钻孔施工
采用ZDY6000LD(F)型履带式全液压坑道钻机进行高位定向钻孔施工。钻机由钻车和泵车两部分组成，采用履带车驱动和胶轮车拖挂结构[15]。钻机主要技术参数见表1。
在21602工作面回风巷布置2个高位定向钻孔钻场，每个钻场设计4个高位定向钻孔。以2号钻场为例，设计钻孔在水平面上平行于回风巷，1—4号钻孔分别距离回风巷13.5，27.0，40.5，54.0 m，在垂直平面上对应高度分别为16，28，38，45 m，钻孔深度为550 m。钻孔设计轨迹如图1所示，钻孔布置平面如图2所示。
表1 ZDY6000LD(F)型钻机主要技术参数
Table 1 Main technical parameters of ZDY6000LD(F) type drilling rig
(a) 剖面
(b) 平面
图1 高位定向钻孔设计轨迹
Fig.1 Design trajectory of high-level directional boreholes
受现场地质情况影响，最终钻孔实际轨迹与设计轨迹有所差别，如图3所示。1号钻孔终孔孔深为369 m，终孔层位距离煤层顶板23 m、距离煤层回风巷右帮水平位移为12 m；2号钻孔终孔孔深为360 m，终孔层位距离煤层顶板16 m、距离煤层回风巷右帮水平位移为26 m；3号钻孔终孔孔深为366 m，终孔层位距离煤层顶板29 m、距离煤层回风巷右帮水平位移为42 m；4号钻孔终孔孔深为303 m，终孔层位距离煤层顶板39 m、距离煤层回风巷右帮水平位移为55 m。2号钻场各钻孔施工完成后，对各钻孔进行封孔、注浆。
图2 高位定向钻孔布置平面
Fig.2 Layout plane of high-level directional boreholes
(a) 剖面
(b) 平面
图3 高位定向钻孔实际轨迹
Fig.3 Actual trajectory of high-level directional boreholes
3 高位定向钻孔瓦斯抽采效果
工作面回采至距离切眼395 m时2号钻场开始抽采，从4月1号开始对瓦斯抽采浓度、流量、纯量进行监测，至5月22号结束监测，平均1～2 d监测1次。
3.1 1号钻孔瓦斯抽采情况
1号钻孔瓦斯抽采监测结果如图4所示。从图4可看出：1号钻孔瓦斯抽采浓度、流量和纯量基本随回采距离的增加逐渐减小；工作面回采至距离切眼490 m时，瓦斯抽采浓度、流量和纯量突然急剧下降，工作面回采至距离切眼545 m时，瓦斯抽采体积分数、流量和纯量均减少至0；瓦斯抽采体积分数为0～6.3%，工作面回采至距离切眼425 m时瓦斯抽采体积分数最大；瓦斯抽采流量为0～6.5 m3/min，瓦斯抽采纯量为0～0.370 5 m3/min，工作面回采至距离切眼395 m时瓦斯抽采流量、纯量最大。
图4 1号钻孔瓦斯抽采监测结果
Fig.4 Monitoring results of gas drainage in No.1 borehole
3.2 2号钻孔瓦斯抽采情况
2号钻孔瓦斯抽采监测结果如图5所示。从图5可看出：工作面回采至距离切眼395～535 m时，2号钻孔瓦斯抽采浓度、流量和纯量变化规律大致相同，均随回采距离的增加呈先减小后增大再减小的趋势；工作面回采至距离切眼535～575 m时，瓦斯抽采浓度和纯量随回采距离的增加先急剧下降后趋于稳定，而瓦斯抽采流量随回采距离的增加呈先增大后减小再增大的趋势；瓦斯抽采体积分数为0.2%～20.5%，瓦斯抽采纯量为0.01～1.27 m3/min，工作面回采至距离切眼475 m时瓦斯抽采体积分数和纯量最大；瓦斯抽采流量为1.7～13.3 m3/min，工作面回采至距离切眼570 m时瓦斯抽采流量最大。
图5 2号钻孔瓦斯抽采监测结果
Fig.5 Monitoring results of gas drainage in No.2 borehole
3.3 3号钻孔瓦斯抽采情况
3号钻孔瓦斯抽采监测结果如图6所示。从图6可看出：3号钻孔瓦斯抽采浓度基本随回采距离的增加呈先增大后减小的趋势，且在工作面回采至距离切眼395～540 m时瓦斯抽采体积分数基本稳定在15%以上；瓦斯抽采流量和纯量随回采距离变化趋势基本一致，即随回采距离的增加整体呈先增大后减小的趋势；瓦斯抽采体积分数为0～20.5%；瓦斯抽采流量为0～8.2 m3/min，基本维持在4.5 m3/min以上；瓦斯抽采纯量为0～1.59 m3/min。
图6 3号钻孔瓦斯抽采监测结果
Fig.6 Monitoring results of gas drainage in No.3 borehole
3.4 4号钻孔瓦斯抽采情况
4号钻孔瓦斯抽采监测结果如图7所示。从图7可看出：4号钻孔瓦斯抽采浓度和纯量均随回采距离的增加呈先增加后减小的趋势；瓦斯抽采流量在工作面回采至距离切眼395～535 m时基本保持稳定，维持在5.5 m3/min左右，之后随回采距离的增加呈“M”形趋势；工作面回采至距离切眼395～575 m时，瓦斯抽采体积分数为0～30.5%，基本维持在17%以上；瓦斯抽采流量为5.2～18 m3/min；瓦斯抽采纯量为0.023～2.374 m3/min。
图7 4号钻孔瓦斯抽采监测结果
Fig.7 Monitoring results of gas drainage in No.4 borehole
3.5 2号钻场瓦斯抽采情况
2号钻场瓦斯抽采监测结果如图8所示。从图8可看出：工作面回采至距离切眼395～535 m时，钻场瓦斯抽采浓度、流量和纯量随回采距离变化的幅度较小，钻场瓦斯抽采体积分数维持在17%左右，瓦斯抽采流量维持在25 m3/min左右，瓦斯抽采纯量维持在4 m3/min左右，钻场瓦斯抽采浓度、流量和纯量均在工作面回采至距离切眼540 m处达到最大；工作面回采至距离切眼540～570 m时，瓦斯抽采浓度、流量和纯量均随回采距离的增加而减小。
图8 2号钻场瓦斯抽采监测结果
Fig.8 Monitoring results of gas drainage in No.2 drilling site
2号钻场瓦斯抽采率变化曲线如图9所示。可看出当工作面回采至距离切眼395～540 m时，瓦斯抽采率基本维持在16%～20%，波动较小，瓦斯抽采效果较好；当工作面回采至距离切眼540～575 m时，瓦斯抽采率明显降低，瓦斯抽采效果下降，这是由于随着工作面的推进，瓦斯富集区的裂隙带逐渐被压实，瓦斯抽采通道遭破坏，瓦斯抽采纯量和流量迅速下降。
图9 2号钻场瓦斯抽采率变化曲线
Fig.9 Variation curve of gas drainage rate in No.2 drilling site
3.6 最佳钻孔布置参数及工作面瓦斯治理效果
对比图4—图7可看出，1号、2号钻孔瓦斯抽采参数波动较大，3号、4号钻孔瓦斯抽采参数稳定性较好，其中4号钻孔瓦斯抽采浓度、纯量和流量大，即当高位定向钻孔终孔层位距离煤层顶板39 m、距离回风巷右帮水平位移为55 m时，瓦斯抽采效果最佳，表明4号钻孔终孔位置最靠近瓦斯富集区。
21602工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线如图10所示。可看出经过高位定向钻孔抽采，上隅角瓦斯体积分数明显下降，由抽采前的最大值0.72%降低到抽采期间的0.2%～0.4%。
4 结语
利用高位定向钻孔对青龙煤矿21602工作面上隅角瓦斯进行抽采，通过21602工作面高位定向钻孔现场施工及抽采效果分析，表明高位定向钻孔具有瓦斯抽采浓度高、抽采量大、抽采率高等特点，且高位定向钻孔瓦斯抽采效果随工作面回采距离的增加呈先稳定后下降的趋势；确定当高位定向钻孔终孔层位距离顶板39 m、距离回风巷右帮水平位移为55 m时，瓦斯抽采体积分数达30.5%，瓦斯抽采流量达18 m3/min，瓦斯抽采纯量达2.374 m3/min，瓦斯抽采效果最佳；上隅角瓦斯体积分数由抽采前的最大值0.72%降低至抽采期间的0.2%～0.4%，有效解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。
图10 上隅角瓦斯浓度变化曲线
Fig.10 Variation curve of gas concentration in upper corner
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