大直径钻孔替代联络巷埋管抽采技术研究

张俊辉

（西山煤电股份有限公司西铭矿 ，山西 太原 030052）

1 工程背景

西铭矿井田位于山西省太原市境内，地面覆盖王封乡、化客头街办及古交市河南乡一部分。北部为随老母－赛庄断层，南与杜儿坪矿井田相邻，西与古交市石千峰煤矿相邻，东部以北头沟煤层露头线和小窑采空区为界。矿井东西长约17km，南北宽约4.6km，井田面积为56.24km2。地理坐标为东经112°14′～112°31′，北纬 37°38′～37°56′。

西铭矿北七右翼采区48708备用面煤层节理发育、结构复杂，直接顶为石灰岩，紧贴灰岩顶板下部为8号煤上分层，厚度0.60-0.75m，平均厚度0.68m；下分层煤层的上部夹矸层厚1.30-3.20m，平均厚度2.27m，岩性为页岩或砂质页岩，2019年8月份经煤科集团沈阳研究院实验室测试岩石坚固性系数f值=3.1，硬度为中等坚固，岩石级别为Va；8号煤下分层厚度3.00-3.20m，平均厚度3.10m，属单一稳定中厚煤层。本次“以孔代巷”试验施工要求全部穿透夹矸层全部岩石，以全面测试钻机性能。

2 空区瓦斯抽采的必要性及可行性

2.1 采空区瓦斯抽采的必要性

采空区是指回采工作面后方的、回采过程中始终存在并且随着采面的推进，范围逐渐增加的区域。由于采空区是和工作面通风网络相连通的，在通风压差的作用下现采空区瓦斯涌入工作面并经由回风流排出，当采空区积存瓦斯和涌出瓦斯较大时有可能使工作面上隅角或回风流瓦斯处于超限状态，特别是当顶板冒落时引起采空区瓦斯突然大量涌出对生产构成很大的威胁。

因此为了提高回采日产量，提出以大直径钻孔代替联络巷、以大流量、低负压抽采治理回采工作面采空区瓦斯，彻底解决回采工作面采空区瓦斯涌出量大和上隅角超限问题，同时降低成本，为矿井的安全生产提供有力的保障是非常有必要的。

2.2 大孔径代替联络巷埋管抽采的可行性

煤科集团沈阳研究院有限公司（以下简称沈阳煤科院）是我国著名的煤矿安全研究院，拥有成套大直径钻孔施工设备及专业技术人员。其中在2016年10月至2017年3月沈阳煤科院与马兰矿就10610工作面采用大直径钻孔取代联络巷已展开工业试验研究，其效果达到了预期目标；2017年3月至今沈阳煤科院在霍州煤电集团腾晖矿、中煤科工集团王坡煤科、潞安集团五阳煤矿等多个集团的煤矿用大直径钻孔取代联络巷进行了试验，其效果达到了预期目标，综合而言该项技术已经十分成熟，设备整体性能较为稳定。

图1 U型通风上隅角大直径钻孔抽采时采空区风流场示意图

布置大直径钻孔在上隅角进行瓦斯抽采，就是利用抽采负压改变上隅角附近瓦斯流场（如图1所示），在采煤工作面上隅角处形成一个负压区，使采煤工作面上隅角处瓦斯向抽放管流动，这样瓦斯流在上隅角后方就被吸入抽采系统，使含瓦斯风流到达不了上隅角和无法在上隅角形成涡流聚集高浓度瓦斯，避免产生上隅角瓦斯超限的问题[1]。

总的来说，利用大直径钻孔在上隅角附近进行瓦斯抽采，解决上隅角瓦斯超限问题，本质上主要是改变上隅角风流场，不让瓦斯在上隅角因涡流而积聚，从根本上截断了上隅角的瓦斯来源。

西铭矿48706工作面存在煤层瓦斯含量大、邻近层瓦斯涌出严重、上隅角瓦斯治理困难等难题，采用以往的埋管抽采、施工联络巷等技术成本较高，而且后期维护困难，使用ZDY9000LS型大直径钻机能够一次性成孔，后期钻孔维护简单，因此在48706工作面的瓦斯抽采巷向皮带巷施工大直径钻孔来取代联络巷是可行的。

3 施工工艺

经协商，山东祥德机电有限公司自愿在西铭矿采用ZDY9000LS煤矿用履带式全液压坑道钻机试验全岩“以孔代巷”技术。试验地点在48706单轨吊巷巷道口往里200m处，施工方式为从48706单轨吊巷往48708备用面皮带巷方向垂直施工伪斜长为26m的大直径钻孔，要求施工时穿透夹矸层全厚；矿方配合设备运输、打钻施工的作业队组为西铭矿抽采科抽采一队[2]。

4 实验流程

试验流程：ZDY9000LS型钻机于8月5日在西铭矿地面钻机修理仓库调试组装结束后，于8月8日运输至北七右翼采区48706单轨吊巷内，于8月11日10:00开始接电源开始打钻试验，截止至8月13日14:00点已圆满完成打钻试验任务。共施工大直径钻孔2个，钻孔伪斜长度为26m。第一号钻孔由于煤层地质条件原因，导致未扩孔的φ153mm钻孔穿过煤柱区后进入48708皮带巷侧顶板上部石灰岩层，未能与煤柱帮相贯通，为报废孔。

第二号钻孔施工时调整施工角度，仰角由+6°下调至+3°。此次试验分两次施工成孔：先用φ153mm钻头施工导孔，待钻孔施工结束后，再用φ350mm钻头进行第二次扩孔。具体参数：钻孔仰角+3°，与巷道夹角+90°，开孔高度距巷道底板1.5m，孔深 26m，最终孔径 φ350mm，实测孔径为400mm左右。

初期施工φ153mm岩柱导孔时需时间为2h，钻机给进压力控制在3MPa左右,液压马达转矩为9000N·m,穿硬夹矸层时钻杆、钻机都有稍微抖动。

安装φ350mm钻头扩孔施工时，在3h后钻进18.5m。现重点对试验φ350mm岩柱钻孔情况说明如下：

1）施工钻孔过程中将钻机给进压力从0MPa调整至3MPa左右时,φ350mm扩孔钻头能够平稳施工夹矸层下部区域岩柱钻孔，钻机整机运行平稳。

2）施工钻孔过程中将给进压力继续稍微调大时，发现施工φ350mm岩柱钻孔的钻杆和钻机整机抖动严重，及时将给进压力调至3MPa左右。使用φ350mm扩孔钻头施工长度为26m的岩柱钻孔需要时间为4h，钻孔施工至夹矸层上部硬岩层时，因该段岩石致密较硬（厚度约为1m），40min方可施工1.5m进尺，推进度较缓慢。故在施工岩柱钻孔过程中，遇硬夹矸层时需将给进压力调至3MPa及以下，否则钻机回转器等会因负荷高而停止运行和转动。

5 抽采效果及施工成本对比

5.1 屯兰矿实际抽采效果情况

屯兰矿12507综采工作面采用“U”型通风（轨道顺槽进风，胶带顺槽回风）+本煤层抽采+裂隙带（顶板走向钻孔+倾斜钻孔）卸压抽采+下邻近层卸压抽采及采空区埋管倒抽措施；回采期间工作面绝对瓦斯涌出量46m2/min，抽采量达40m3/min，配风量1500m3/min，目前工作面平均日产6000t，回采期间工作面、上隅角、回风瓦斯浓度均在0.50%以下，瓦斯浓度较为稳定，回采工作稳步推进如图2和图3所示。从整体抽采效果看大孔径钻孔抽采效果完全可以满足工作面安全生产。

图2 12507综采工作面瓦斯治理效果综合数据图

图3 瓦斯抽采量与风排量图

5.2 施工工艺及成本对比

表1 大孔径钻孔和联络巷埋管施工工艺及成本对比

从表1中我们可以看出：

1）联络巷埋管需机掘巷道，贯通后需退掘进机，对通风系统进行调整，再对横贯进行埋管封闭，布置联络巷横贯工程量大、资金投入高及联络巷横贯封闭运料困难施工期长，采掘衔接紧张；

2）大孔径钻孔单个施工时间为5天，而联络巷埋管单个施工时间为10天，大孔径钻孔与联络巷埋管相比，施工时间可减少50%；

3）大孔径钻孔的施工成本只有联络巷埋管的15%，如48706工作面全部采用联络巷埋管则需要9个联络巷埋管，总成本为180万元。如果采用大孔径钻孔，只需要27万元，可节约85%的资金。

6 结束语

ZDY9000LS型钻机具备在岩石坚固性系数值f=3.1及以下的岩石层中钻进的能力，西铭矿利用φ350mm钻头试验“以孔代巷”穿透中等硬岩技术取得成功，与此同时，克服了联络巷埋管布置联络巷横贯工程量大、资金投入高及联络巷横贯封闭运料困难施工期长，采掘衔接紧张问题，为西铭矿以孔代巷治理瓦斯提供有益参考。