五虎山煤矿高位钻孔瓦斯抽采参数优化研究

摘 要：本论文以五虎山煤矿的瓦斯治理为研究对象，对16#煤层某综采工作面高位钻孔抽采参数进行优化，提高瓦斯抽采效率，为类似煤矿的瓦斯治理研究提供了借鉴经验，确保煤矿安全生产。

关键词：高位钻孔；瓦斯抽采；参数优化

一、 前言

我国煤炭资源丰富，煤炭在我国一次性能源消耗结构中所占的比例，长期以来保持在70%左右，2017年全国原煤产量约35亿吨，接近世界的一半。

瓦斯是在煤矿生产过程中，从煤层、岩层内涌出的以CH4为主的各种有毒有害气体的总称。瓦斯是无色、无味、无嗅、无毒的气体，比空气轻，对空气的相对密度为0.554，瓦斯密度为0.716kg/m3，瓦斯的渗透性很强，不易溶于水，主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丙烷等其他烴类，另外还含有二氧化碳和稀有气体。瓦斯主要以两种状态存在于煤体或围岩中，一种叫游离状态，一种叫吸附状态。

随着煤矿开采地质条件越来越复杂，煤矿开采深度不断增大，煤层瓦斯含量亦逐渐增大，采掘工作面瓦斯涌出量越来越大。特别是大型综采矿井，由于采掘工作面布置多、生产集中、采掘速度快，使采煤工作面经常有大量瓦斯涌出并积聚，易引发瓦斯事故。积聚在采空区顶板裂隙带的瓦斯量非常大，解决工作面采空区顶板裂隙带瓦斯超限的一项重要措施就是高位钻孔抽放瓦斯。在井下通风压力变化时采空区瓦斯容易流动到采煤工作面顶部上隅角，造成工作面上隅角瓦斯超限。进行高位钻孔的抽放参数优化设计和试验工作，可以有效解决这一问题。

二、 高位钻孔瓦斯抽放技术原理

高位钻孔瓦斯抽放就是以工作面顶板裂隙通道来抽放上隅角及工作面煤壁涌出的瓦斯，又称顶板裂隙带抽放。煤层随工作面回采时，根据矿山压力规律，在工作面垂直方向上形成冒落带、裂隙带和变曲下沉带的采动压力场（见图1）。瓦斯在裂隙带释放并流动。通过高位钻孔瓦斯抽放本煤层释放的大量瓦斯。

三、 五虎山煤矿16#煤层冒落带和裂隙带的估算

高位钻孔瓦斯抽放时，为了比较准确地确定瓦斯抽放钻孔层位，提高瓦斯抽放效果，高位钻孔最终孔位位于裂隙带下部1/3内，因此需要确定16#煤层冒落带和裂隙带的高度。五虎山煤矿16#煤层冒落带和裂隙带的高度按下式进行估算：

（一） 冒落带高度：

（二） 裂隙带高度

四、 目前工作面瓦斯抽采高位钻孔布置方法

在开采煤层群条件下，邻近层、煤柱和工作面的丢煤都会向采空区涌出瓦斯。邻近层瓦斯在开采过程中和采完密闭后都向工作面有瓦斯涌出。与本煤层预抽瓦斯相比，邻近层抽采的特点是抽采量较大，但瓦斯抽采浓度相对较低，其瓦斯抽采量的大小取决于邻近层瓦斯涌出量的大小。工作面在开采过程中主要的邻近层瓦斯涌出为15#煤层瓦斯涌出。通过抽采负压作用可以有效解决工作面采空区瓦斯涌出引起的上隅角瓦斯超限的问题。具体抽采方法：以回风联络巷作为高位钻场，抽放方向与回风顺槽平行，沿煤层走向抽放，每个钻场布置5个钻孔。第一个钻孔距回风顺槽下帮4米布置，其他钻孔间距8米。

五、 工作面高位钻孔参数优化研究

（一） 工作面高位钻孔参数优化试验钻孔的布置

本次试验共进行了两个钻场十个钻孔，两个钻场间隔20m左右。

Ⅰ 钻场设计五个高位钻孔，以回风联络巷作为高位钻场，抽放半径平行回风顺槽下帮40m位置，钻孔长度400m，第一个钻孔距回风顺槽下帮4m布置，其他钻孔间距8m。分两层布置，终孔布置为7m层位和12m层位，两层在平面内错布置。

封孔工艺：钻孔采用聚氨脂封孔，封孔深度6m，封孔段长度2m，孔口用水泥砂浆固孔。封孔管为直径Φ50mm阻燃抗静电塑料管，再用Φ65mm的钢丝骨架胶管连接到抽放支管上，最后到达地面泵房。

钻孔布置图见图2。

（二） 高位抽放钻场钻孔参数优化

Ⅱ钻场设计根据Ⅰ钻场的试验结果，对钻孔参数进行了优化设计，同样施工了五个钻孔（分别为主孔、2-1～2-4孔）。开孔直径153mm，终孔直径96mm，开孔方位140.3度。封孔管采用内径Φ102mm，2米长防静电阻燃PVC管4根进行插接，封孔长度为10m。分三层布置，终孔布置为8 m层位、12m层位和15m层位，三层在平面内错布置。

（三） 高位抽放试验效果考察

为考察高位抽放试验效果，进行了为期约60天的连续观测，结果见表1

六、 结论

经过高位钻孔抽放瓦斯试验后，两个钻场瓦斯抽放效率不同，其中Ⅱ钻场进行了参数优化，抽放效率明显高于Ⅰ钻场，Ⅱ钻场抽放试验期间基本杜绝了瓦斯超限和积聚现象，对防止上隅角瓦斯超限效果尤为明显。究其原因，主要有以下两点：

（一） Ⅱ钻场钻孔终孔位置布置层位比较合理，终孔位置处于8-15m之间，最终孔位正位于裂隙带下部1/3内，能够比较有效地抽采采空区和邻近层瓦斯，抽采效率高；而抽采钻孔处于Ⅰ钻场时，由于其终孔位置处于7-12m之间，钻孔层位较低，抽采效率较差。

（二） Ⅱ钻场钻孔封孔长度较长，封孔技术较为先进，提高了抽采效率。

参考文献：

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[3]昝军才，景志义，张进军.煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料技术优化及工程实践[J].中国高新技术企业，2011（30）：92-94.

[4]赵文利.煤矿采煤工作面瓦斯抽放方案[J].山西煤炭，2012，32（4）：66-67.

作者简介：孙有明，内蒙古自治区乌海市，乌海职业技术学院矿业工程系。