高位钻孔抽放技术在高瓦斯回采工作面中的应用

杜敬彬

摘 要：本文以高瓦斯回采工作面为研究对象，对高位钻孔抽放技术在回采工作面的应用进行了探讨，以提高煤矿行业生产发展的安全性。

关键词：高位钻孔;抽放技术;高瓦斯;应用

0 引言

近几年来，随着我国煤矿向高强度、集约化方向发展及开采深度的增加，工作面回采后形成的采空区面积逐步增大，瓦斯涌出也相应增加，尤其是采空区上隅角的瓦斯治理越来越困难，影响着煤矿的安全生产，采用高位钻孔抽放技术能够有效解决这一问题。

1 矿井概况及瓦斯超限原因与解决思路

1.1 矿井概况

M煤矿属于国有矿井，年产量非常高，达到了120万t。该煤矿曾经出现过很多次瓦斯事故。现在进行回采的11#煤层工作面长度是180m，主要采用的是走向长臂后退式开采方式，11#煤层厚度约3m左右，工作面采高约2m左右。顶板的大致状况是：伪顶是粉砂岩，成深灰色，厚度在0.4m左右。工作面在回采时，瓦斯大量涌现，上隅角瓦斯超限[1]。

1.2 瓦斯超限原因与解决思路

一直以来，M煤矿的生产质量和效率都很好，在实施区域防突任务中，加大了对保护层煤层的开采，回采中上隅角瓦斯超限问题十分突出，一方面是开采区中暴露的煤在顶板的垮落下，其中存在的瓦斯被快速解吸，释放;另外一方面，在煤层采动时，瓦斯通道打开，处在吸附状态的瓦斯被解吸，同处在游离状态的瓦斯共同涌入工作面。此外，在工作面配风量的持续上升下，采空区漏风带宽度也会随之增加，采面瓦斯量也会增加。而在工作面的不断推进下，顶板会破损垮落，这增加了上隅角瓦斯超限管理的难度，对矿井的安全生产带来了很大的影响。

依据瓦斯超限一般集中于上隅角这一特征，如果在顶板裂隙带开始进行高位钻孔施工并让其和瓦斯抽放管相连，构成瓦斯抽放系统，受到瓦斯抽放泵负压的影响，瓦斯会顺着裂隙用到抽放钻孔中，被抽放到地面，排到大气或进行利用，以减少工作面瓦斯涌现量，保证矿井安全作业，通过有关实践表明，该种方式是具有可行性的。

2 高位钻孔抽放原理

当开采煤层之后，附近岩层会因采动出现位移，这时地应力不得不重新进行分布。高位钻孔是对垂直方向或水平方向裂隙带中及一些离层区的大量瓦斯进行抽取。受到采动的影响，工作面煤壁会遭受到一定程度的破坏，出现垂向裂隙，煤层中原有的瓦斯压力会逐渐变小，吸附瓦斯被解析成游离瓦斯，而这些瓦斯会经过煤壁或者是顶板缝隙进入到抽放钻孔，采面往前移动，该动态概念，在煤层卸压、瓦斯流动等方面有着很重要的作用。所以，经过高位钻孔，既能够将瓦斯涌出通道切断，还能够让采空区下层瓦斯的运动方向发生改变，从而减少了瓦斯的涌现量。

3 高位钻孔抽放参数确定及设计

3.1 钻孔抽放参数确定

3.1.1 确定钻场层位、钻孔落点位置

结合岩层的损坏程度和位移情况，当工作面往前开始移动式，位于工作面后的采空区的覆岩层会慢慢变成悬臂梁，在岩石应力的影响下，附近岩层、开采层间会构成冒落带、弯曲下沉带、裂隙带等等。通常情况下，冒落带高度是采高的5倍作用，如果将高位钻孔的位置选在冒落带，在工作面开始慢慢推进时，处在开采层附近的煤层，会因冒落带的冒落而发生冒落，瓦斯会彻底在采空去释放，但在回采风量的影响下，瓦斯浓度的稳定性不好，无法有效完成抽放。如果将高位钻孔的位置选在弯曲下沉带，不能破坏岩层的完整性，而裂隙将连通性不高，无法抽取大量瓦斯。所以，应该将高位钻孔位置选在裂隙带，该带可以彻底卸压，瓦斯被全部解析，瓦斯浓度大，是抽放瓦斯最理想的区域。另外，要确定钻孔落点位置时，冒落带上部是最好的区域。

3.1.2 钻孔参数设计要求

在设计钻孔参数时需要遵循以下原则：一是抽放钻孔终端要设计好，需要进到附近层卸压范围的中下部;二是为了防止钻孔中涌入大量空气，开在设计开孔端时需要设计在不会被采动影响的煤岩中，且钻孔不可以穿入冒落带;三是钻孔抽放短不能被顶板冒落影响，出现中断的问题。

3.2 钻孔抽放参数设计

3.2.1 确定钻孔标高

通过有关实践分析，可以将M煤矿钻孔高度确定下来，控制在8-5m左右，裂隙带高度一般是采高的7-12倍左右。一般瓦斯在工作面之上的15-25m左右。钻孔终孔和煤層顶板的距离不能超过15m，一旦超过在冒落带抽取的瓦斯量就会变得很少。

3.2.2 确定终孔间距、孔深

结合某煤矿抽放的具体效果看，终孔间距需要控制在5m左右，这样，就能够达到最佳的抽放效果。因为上文中对采空点高度等数值进行了确定，经过对三角形正切值的计算，就能够将钻孔的倾角确定下来约18°。钻孔深度的确定要考虑钻机性能，钻机性能强，钻孔速度就快，倾角变大，深度随之减少。

3.2.3 布置钻孔

一是布置平面。为了达到最理想的治理效果，在进行平面布置时，我们在钻场区域设计了13个抽放钻孔，钻孔都是分两排进行设置的，每排钻孔间距控制在0.5m左右，终孔点设置在巷道轮廓线内。二是布置剖面。出于对钻机施工便利等方面因素的考虑，钻场中第一二排钻孔开孔位置与巷道底板相距1.2m、1.8m左右，具体如图1所示。

4 高位钻孔抽放技术在高瓦斯回采工作面中的抽放效果分析

4.1 上隅角瓦斯浓度变化状况分析

因为在整个采区中工作面是漏风区，采空区瓦斯大部分都是从该面的隅角流出的，并且他的风流一般都是处在涡流状态，速度慢，主风流无法全部排出聚集在此的瓦斯，所以，上隅角瓦斯浓度比工作面别的地方要高很多，瓦斯超限风险很高。在未进行高位钻孔抽放前，上隅角中出现了多次瓦斯超限，而经过高位钻孔连抽之后，瓦斯零超限。

4.2 抽放钻孔瓦斯浓度

从开始进行钻孔到第一个钻孔连抽任务开始时，每天都要派专人去测试各钻孔瓦斯浓度。结合具体测试数据制作钻孔层位、抽放浓度、流量间的关系图，如图2所示。由图能够了解到当抽放瓦斯浓度约55%时，抽放的平均瓦斯流量约2.5m3/min。在回采的半年时间内，上隅角瓦斯超限问题基本没有出现，工作面可以安全稳定生产。

5 结论

针对M煤层瓦斯抽放情况的分析，可以得到如下几点认识：①在回采工作面瓦斯治理工作中使用高位钻孔抽放技术效果很好，大大提升了瓦斯抽放的效率，降低了瓦斯超限风险，使工作面作业环境更加安全、稳定;②为了让工作面过钻场不对抽放效果造成影响，钻孔层位需要依据顶板岩性、布置区域、开采特点、周围开采层间距等各方面状况进行确定，尤其是要控制好终孔点距离，这样，才能达到最理想的抽放效果;③在完成周围层瓦斯抽放任务后，安全生产情况得到了一定程度改善，在同一时间内工作面的推进，速度也随之提升，回风流瓦斯浓度大大降低。所以，使用回风巷钻场施工高位钻孔抽放工作面采空区瓦斯，可以使工作面上隅角瓦斯超限问题得到有效解决。

参考文献：

[1]薛庆彬，丁顺明.关于高瓦斯综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究[J].煤炭科学技术与应用，2017，12 （12）：2128-2130.