大孔径走向钻孔在煤层群(厚煤层)开采瓦斯治理技术中的研究与应用

石志泉

“u”型通风系统是煤矿井下回采工作面简单而通用的系统，然而在高瓦斯矿井中上隅角瓦斯严重制约工作面安全生产。通过在回风顺槽施工孔径113mm高低位裂隙带抽采钻孔有效缓解上隅角瓦斯是传统通用瓦斯治理手段，然而受地质区域、钻具设备缺陷的制约导致抽采效果差异大，上隅角瓦斯频繁处于临界状态。随着钻进设备的升级及抽采技术的发展，我们充分发挥大孔径定向钻机特性，引进大孔径走向定向裂隙带长钻孔抽采技术，通过大流量抽采钻孔改变上隅角瓦斯流场，最终解决上隅角瓦斯制约工作面安全生产的现状。

一、矿井概况

某矿年生产能力为300万t，采用斜井开拓，采用中央并列式通风，主要开采2#、10#煤层。目前矿井主要回采2#煤层位于+290m开采水平，平均厚度为6m，煤层倾角为3～6°。经测定，矿井绝对瓦斯涌出量为79.6m³/min，相对瓦斯涌出量为13.95m³/t，采煤工作面绝对瓦斯涌出量为19.58m³/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量为13.5m³/min。2#煤瓦斯基础参数为表1所示。

二、应用背景

“u”通风的工作面中伪顶、直接顶随工作面推进，在自重作用下垮落形成冒落區，上覆岩层中产生各种裂隙形成瓦斯运移通道，采空区在平面位置中显示形成比较密实的“0”型圈，一旦进回风隅角顶板垮落滞后大面积悬顶，间接导致风流进入采空区将瓦斯带出，同时鉴于瓦斯密度小易于顶板积聚，最终导致回风隅角瓦斯积聚，严重制约工作面安全高效生产。

已回采的2106工作面沿2#煤布置，工作面的平均倾角为5。走向长度为1160m、倾向长度为202m，采用一次采全高顶板全部垮落后退式采煤，采用“u”型通风方式，工作面配风量2625m³/min，采取以高位裂隙穿层抽采钻孔为主、上隅角埋管为辅的方式治理上隅角瓦斯。然而在回采过程中受煤层赋存条件的差异，高低位钻孔呈现出“钻机定向功能差导致目标层位不精确”、“裂隙带钻孔有效抽采时间短导致抽采效率低下”等缺陷，上隅角瓦斯在0.7-1%之间波动，长时间处于临界状态。

三、大孔径定向钻孔抽采技术应用及结论

为克服高位裂隙钻孑L缺陷，我们在2102工作面引进大孔径定向钻孔抽采技术，通过发挥该钻孔精准抽采、滞后连续抽采的特性治理上隅角瓦斯。目前回采的2102工作面沿2#煤布置，工作面的平均倾角为7°走向长度为760m、倾向长度为205m，采用一次采全高顶板全部垮落后退式采煤，采用“u”型通风方式，工作面配风量2266m³/min，采取以高位裂隙走向长钻孔为主、上隅角埋管为辅的方式瓦斯治理手段。2102工作面通风系统、钻孔平面布置图及参数如下：

随着工作面推进，我们对定向钻孔抽采数据进行收集，并统计如下：

1#孔：内错胶带45m，孔径120mm，垂高48m布置在8倍采高位置，长度702m。根据工作面推进，对该孔抽采数据做了统计，平均瓦斯浓度21.6%，平均抽采负压21KPa，平均抽采混合量3.3m³/min，平均抽采量0.7m³/min，抽采参数统计表及曲线如下：

2#孔：内错胶带30m，孔径203mm，垂高48m布置在8倍采高位置，长度629m。根据工作面推进，对该孔抽采数据做了统计，平均瓦斯浓度20.3%，平均抽采负压22KPa，平均抽采混合量4.5m³/min，平均抽采量0.93m³/min，抽采参数统计表及曲线如下：

3#孔：内错胶带20m，孔径203mm，垂高42m布置在7倍采高位置，长度633m。根据工作面推进，对该孔抽采数据做了统计，平均瓦斯浓度14.7%，平均抽采负压20KPa，平均抽采混合量10.2m³/min，平均抽采量1.4m³/min，抽采参数统计表及曲线如下：

4#孔：内错胶带38m，孔径120mm，垂高60m布置在10倍采高位置，长度647m。根据工作面推进，对该孔抽采数据做了统计，平均瓦斯浓度39.2%，平均抽采负压22KPa，平均抽采混合量12.4m³/min，平均抽采量4.8m³/min，抽采参数统计表及曲线如下：

同孔径异层位数据对比：1、以1#与4#孔为例，4#孔平均抽采浓度为1#的1.81倍、抽采混合量3.76倍、抽采纯量6.86倍：2、以2*与3#孔为例，3#孔平均抽采浓度为2#的0.72倍、抽采混合量2.27倍、抽采纯量1.51倍。

同层位同负压异孔径数据对比：1、以1#与2#孔为例，同等负压条件下2#孔平均抽采混合量为1#的1.36倍、抽采纯量1.33倍：2、以1#与3#孔为例，同等负压条件下3#孔平均抽采混合量为1#的3.1倍、抽采纯量2倍。

结论：1、孔径120mm钻孔优先布置在10倍采高以上才能充分抽采裂隙带“0”型圈内高浓瓦斯，孔径203mm钻孔优先布置在7倍采高有利于改变回风隅角侧瓦斯流场，实现抽采效益最大化，最终上隅角、回风侧瓦斯浓度处于安全状态：2、同等负压条件下203mm大孔径抽采混合量是直径120mm的抽采混合量1.36-3倍，因此通过提高抽采负压，大直径的钻孔才能保证大流量的气体，有利于改变回风隅角区域瓦斯流场，使上隅角瓦斯处于平稳安全状态。

四、发展前景

纵观目前全国高突矿井“u”型通风系统回采工作面通用瓦斯治理手段主要有高抽巷治理上隅角、相邻巷道埋管治理上隅角、相邻巷道大孔径滞后煤柱孔治理上隅角，但是大孔径走向定向长钻孔抽采技术依据其精准定位、连续抽采、大流量、系统简化、成本低廉、管理简单、安全可靠的特性终将取代上述技术，也是矿井瓦斯治理技术发展的必经之路，同时该项技术可以克服封孔效果差的缺陷，保证瓦斯利用的浓度，符合国家“以抽促用、以用促抽”环保经济效益。