0 引言
矿井瓦斯严重威胁煤矿安全生产。随着矿井生产强度提高和开采深度加大，瓦斯涌出现象加剧，易造成上隅角瓦斯浓度超限，进而导致工作面停产或瓦斯爆炸事故，因此上隅角瓦斯治理对保障煤矿安全生产具有重要意义。井下钻孔抽采是目前主要的瓦斯治理措施，包括本煤层钻孔抽采、穿层钻孔抽采和顶板高位钻孔抽采等。其中顶板高位钻孔抽采属于卸压抽采，主要抽采受采动影响煤层中涌出的瓦斯及部分采空区瓦斯，具有成本低，施工周期短，抽采瓦斯浓度高、流量大等特点，是目前治理上隅角瓦斯问题的主要手段。常规顶板高位钻孔因钻孔方位及倾角无法控制而难以钻进至设计层位，且存在有效抽采孔段较短、易出现抽采盲区、抽采不连续等问题，在实际应用中受到限制[1-3]。
近年来，随着随钻测量定向钻进技术与装备的发展，能够实现钻进过程中实时测量钻孔参数、精确控制钻孔轨迹的定向钻孔施工工艺为顶板高位钻孔技术提供了新方向[4-5]。目前针对顶板定向高位钻孔抽采技术应用的研究较多。杨伟锋等[6]对定向高位长钻孔施工技术、装备及瓦斯抽采效果进行了分析。魏宏超等[7]对顶板定向钻孔抽采流量与回采线和钻孔水平距离的关系进行了研究，并与高抽巷抽采率进行对比分析。许超等[8]对定向高位钻孔的布置层位及钻孔结构进行研究，分析了煤层采动对钻孔瓦斯抽采效果的影响。以上研究大多是针对定向高位钻孔抽采原理及单一钻孔瓦斯抽采效果进行分析，关于定向高位钻孔与常规高位钻孔瓦斯抽采效果的定量分析及对比研究较少。李彦明[9]对定向高位长钻孔与普通高位钻孔的瓦斯抽采效果进行了对比研究，但试验中工作面宽度小、回采速度较快，且对比分析的普通高位钻孔仅有1组，抽采时间短、统计数据较少，应用及分析结果不具有普遍性。本文以中煤华晋集团有限公司王家岭煤矿上隅角瓦斯治理为研究背景，在综采工作面回风巷布置1组定向高位长钻孔与4组常规高位钻孔，对回采期间2种钻孔抽采效果进行定量对比分析，优选最佳抽采方式，实现上隅角瓦斯高效抽采。
1 矿井概况
王家岭煤矿位于山西河东煤田西南部，地处山西省临汾市辖乡宁县和运城市辖河津市境内。矿井采用平硐开拓方式，井田面积约为180 km2，主要开采2号、10号煤，设计生产能力为600万t/a，绝对瓦斯涌出量为15.88 m3/min，相对瓦斯涌出量为1.64 m3/t，属高瓦斯矿井。
该矿采用综采放顶煤工艺及“U”型通风方式，工作面综采支架上部、后部压裂、松散煤体解吸出的瓦斯及采空区涌出的瓦斯积聚在支架尾部和机尾垮落空顶处，回风隅角在微风或空顶垮落时容易造成瓦斯溢出，引起瓦斯超限。上隅角瓦斯体积分数经常达1.0%以上，严重制约矿井安全生产。
目前王家岭煤矿综放工作面上隅角瓦斯治理主要采用高位钻孔抽采为主、隅角抽排为辅的方式，取得较好效果。
2 高位钻孔抽采瓦斯原理
煤层开采导致上覆岩层变形破坏，在覆岩中形成采动裂隙。当采空区顶板岩层充分垮落后，垂向上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带(“竖三带”)，沿工作面推进方向分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区(“横三区”)。随着工作面推进，采空区中部岩体被逐步压实，采动裂隙逐渐闭合，而四周形成一个横向连通、随工作面推进而不断变化的裂隙发育区，称为“O”型圈，为采空区瓦斯贮存和流动提供了空间和通道[10-12]。采动覆岩“三带”分布及采动裂隙“O”型圈如图1所示。
(a)采动覆岩形态及“三带”分布
(b)采动裂隙“O”型圈
图1 采动覆岩“三带”分布及采动裂隙“O”型圈
Fig.1 "Three-zone" distribution of mining overburden and O-type ring of mining fracture
高位钻孔抽采瓦斯根据覆岩破坏及瓦斯运移规律，通过在回风巷布置钻场，使钻孔靶区布置在回风巷侧垂直方向位于断裂带中下部、水平方向位于采动裂隙“O”型圈的区域内，在负压抽采作用下，瓦斯沿裂隙通道进入钻孔排出，从而达到瓦斯治理目的。常规高位钻孔和定向高位长钻孔抽采上隅角瓦斯示意如图2所示。
3 高位钻孔设计与布置
3.1 高位钻孔设计原则
(1)高位钻孔布孔高度确定原则。通过经验公式计算或试验测算出施工区域覆岩垮落带及断裂带高度，以此确定钻孔剖面布孔高度，即位于垮落带上部、断裂带中下部。为保证钻孔完整性及后期抽采效果，还需考虑岩层的成孔率和稳定性[13-14]。
图2 高位钻孔抽采上隅角瓦斯示意
Fig.2 Gas drainage by high-level borehole at upper corner
(2)高位钻孔距回风巷距离确定原则。平面上高位钻孔布置在回风巷侧采动裂隙“O”型圈内，通常通过相似模拟或数值模拟试验，并根据回风巷侧顶板岩层破断角、煤层倾角及厚度、回风巷高度及宽度、钻孔终孔高度等推导计算“O”型圈范围，以此确定钻孔距回风巷距离[15]。
3.2 高位钻孔施工参数
王家岭煤矿2号煤层平均厚度为6.2 m，煤层顶板属于中硬岩层。根据相似模拟试验及理论计算的“三带”高度，综合得出该矿20103综采工作面采动断裂带高度为35.8～51.5 m，平面上距回风巷侧向工作面内10～22 m为裂隙发育较好的“O”型圈范围，是布置高位钻孔的理想位置。
根据上述结果，将高位钻孔层位布置在距煤层顶板35～50 m，水平方向上距回风巷帮10～22 m。
3.3 高位钻孔布置
定向高位长钻孔施工采用ZDY6000LD型定向钻机及配套装备，具体见表1。
表1 定向高位长钻孔施工装备
Table 1 Construction devices of directional high-level long borehole
定向高位长钻孔由开孔套管孔段、定向造斜爬坡孔段、定向稳斜孔段组成，具体见表2。
在20103综采工作面回风巷距切眼450 m处布置1个定向钻场，施工3个定向高位长钻孔。钻孔参数见表3，其中钻孔垂距为钻孔距煤层顶板距离，钻孔平距为钻孔距回风巷帮距离。
为了对比研究定向高位长钻孔与常规高位钻孔的抽采效果，在该工作面回风巷同时布置4个常规钻场(分别距切眼100，180，260，340 m)，每个钻场施工4个常规高位钻孔。钻孔参数见表4(以钻场1为例)。
表2 定向高位长钻孔结构参数
Table 2 Structure parameters of directional high-level long borehole
表3 定向高位长钻孔参数
Table 3 Parameters of directional high-level long boreholes
表4 常规高位钻孔参数
Table 4 Parameters of normal high-level boreholes
高位钻孔布置如图3所示。
(a)平面投影
(b)剖面投影
图3 高位钻孔布置
Fig.3 Distribution of high-level boreholes
4 瓦斯抽采效果分析
回采期间对2类高位钻孔进行单独抽采计量，钻孔瓦斯抽采浓度和纯量随工作面推进的变化曲线如图4、图5所示。
图4 瓦斯抽采浓度随工作面推进变化曲线
Fig.4 Change curves of gas drainage concentration with working face advance
图5 瓦斯抽采纯量随工作面推进变化曲线
Fig.5 Change curves of gas drainage quantity with working face advance
从图4、图5可看出，当工作面推进至20 m时，定向高位长钻孔D-3首先进入有效抽采孔段，抽采体积分数达12.5%，抽采纯量达2.9 m3/min，随着工作面推进，抽采数据降低。当工作面推进至60～80 m时，定向高位长钻孔D-1，D-2进入有效抽采孔段，抽采浓度与纯量相对较低。初采阶段，采空区两侧断裂带高度发展滞后采空区中部断裂带，钻孔D-3平面上更靠近采空区中部，断裂带发育充分，因此抽采效果更好。常规高位钻孔1-1在工作面推进至20～50 m时平均抽采体积分数为3.5%，抽采纯量为0.5 m3/min，且衰减较快，工作面推进至90～100 m时钻孔拆除。
工作面推进至100～300 m时，钻孔D-1，D-2抽采体积分数稳定在8%～10%，抽采纯量为1.3～1.6 m3/min，其中钻孔D-2最大抽采纯量达2.78 m3/min。钻孔D-3在该阶段的抽采数据则有所降低，抽采纯量保持在0.9 m3/min左右。受工作面采动影响，采空区两侧裂隙发展充分、相互贯通，瓦斯流动通道顺畅，因此该阶段钻孔D-1，D-2抽采效果明显提高。而随着断裂带覆岩垮落后采空区中部裂隙逐步压实、闭合，瓦斯抽采通道受阻，因此钻孔D-3抽采数据降低。常规高位钻孔1-2,1-3在该阶段抽采体积分数为3%～5%，抽采纯量为0.4～0.5 m3/min，有效抽采孔段短、衰减快，工作面推进至180，260 m时钻孔1-2,1-3分别拆除。
当工作面推进至300 m后，定向高位长钻孔D-1，D-3抽采浓度和纯量衰减较快，推进至400 m时抽采纯量几乎为0，而定向高位长钻孔D-2抽采体积分数维持在7%以上，抽采纯量为1.3 m3/min以上。随着工作面进一步推进，采空区中部压实范围向四周不断扩大，裂隙逐渐压实，瓦斯运移通道堵塞，因此钻孔D-3抽采浓度及流量迅速衰减。钻孔D-2平面上处在“O”型圈区域内，是回采期间瓦斯流动运移的主要通道，因而该钻孔后期抽采数据较稳定。常规高位钻孔1-4较前3组钻孔抽采效果差，平均抽采体积分数为2.1%，抽采纯量为0.3 m3/min，工作面推进至340 m时钻孔拆除。
2类高位钻孔平均瓦斯抽采数据对比见表5。可看出与常规高位钻孔(单组)相比，定向高位长钻孔(单孔)的平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍，工作面瓦斯抽采率提高了近2倍，有效抽采时间提高了约3.15倍。
表5 高位钻孔平均瓦斯抽采数据对比
Table 5 Average gas drainage data comparison of high-level boreholes
工作面推进至100～150 m时，对2类高位钻孔进行交替接抽试验，并实时观测记录上隅角瓦斯浓度变化情况，如图6所示。可看出仅接抽常规高位钻孔时，回采期间上隅角瓦斯体积分数为1.02%～1.10%，报警现象仍有发生；仅接抽定向高位长钻孔时，上隅角瓦斯体积分数降至0.46%～0.57%，瓦斯超限问题得到控制，保障了工作面安全生产，表明定向高位长钻孔治理上隅角瓦斯效果突出。
图6 高位钻孔接抽上隅角瓦斯浓度变化曲线
Fig.6 Change curves of gas concentration at upper corner drained by high-level boreholes
5 结论
(1)通过施工定向高位长钻孔，可精确控制钻孔轨迹在目标层位中延伸，有效抽采孔段长、抽采盲区少，可实现连续抽采。
(2)实际抽采结果表明：定向高位长钻孔单孔平均瓦斯抽采纯量为2.11 m3/min，最大可达2.9 m3/min，与常规高位钻孔相比，平均瓦斯抽采纯量提高了约2.77倍，工作面瓦斯抽采率提高了近2倍，有效抽采时间提高了约3.15倍；回采期间仅接抽常规高位钻孔时上隅角瓦斯体积分数为1.0%以上，仅接抽定向高位长钻孔时降至0.6%以下，表明定向高位长钻孔治理上隅角瓦斯优势明显。
(3)软硬交互复杂地层定向高位长钻孔有效成孔技术，高位钻孔层位选择及优化布置，高位钻孔抽采效果与工作面回采方式、推进速度、抽采负压等因素的相关性，需进一步深入研究。
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