高瓦斯矿井高位钻孔抽采技术研究

胡 文 浩

（长治三元中能煤业有限公司，山西 长治 046605）

0 引 言

随着煤炭挖掘水平的不断提高，矿井开采日益加深，往往出现低瓦斯矿井逐渐转换为高瓦斯矿井的情况。由于瓦斯抽采能力的不足，导致井下瓦斯爆炸的可能性增加，严重影响了煤矿开采的安全生产。为解决这一问题，以三元下霍煤矿高瓦斯矿井作为研究对象，对高位钻孔瓦斯抽采技术进行分析研究。

1 地质概况

山西三元下霍煤矿位于长子县慈林镇五里庄村北300m，核定生产能力240 万t/a。井田位于沁水煤田潞安矿区，井田面积为40.8123km2，批准开采3 号煤层，地质储量284.97Mt，可采储量为173.82Mt，煤种为贫瘦煤、贫煤，矿井鉴定为高瓦斯矿井。现阶段对矿井瓦斯涌出量测定，矿井绝对瓦斯涌出量为12.66m3/min，相对瓦斯涌出量为2.86m3/t。

2 高位钻场位置选择与现场使用

高位钻孔通风的原理是在已有的通风区域内，人为的增加通风管路。通风管路主要分布于采空区，将采空区与地面相连，利用采空区与地面产生的压差，将巷道内高浓度瓦斯从采空区排出。这样不但降低了工作区瓦斯浓度，还能够缓解通风系统排放瓦斯的压力。

高位钻孔的位置对排放瓦斯效果的好坏影响很大，目前，钻场位置一般布置在胶带巷或者回风巷。

2.1 胶带巷布置钻场

胶带巷布置的钻场面积一般为4m×4m×3m，钻场位置在胶带巷侧壁一处倾向巷道末端，钻孔将巷道与地面相连，地面处钻孔位于发育裂隙带内。钻孔角度与巷道成扇形分布，数量一般为4 处。

在胶带巷布置钻孔的缺点在于，钻场抽采瓦斯的寿命时间受工作面推进的限制，因为随着掘进的深入，钻孔会被破坏掉，抽取瓦斯的能力会逐渐降低直到彻底失效。为了延长钻场抽取寿命，可以提高钻孔的倾角，但这样会导致钻孔长期处于冒落带，严重降低钻孔的利用率。

施工方面，胶带巷布置的钻场钻孔角度较小，钻孔难度较大，容易造成埋孔现象。同时抽放瓦斯的管路需放置在胶带巷内，减少了巷道有效断面面积。

2.2 回风巷布置钻场

回风巷布置的钻场面积一般为4m×4m×3m，钻场位置在回风巷侧壁，钻孔将钻场与地面相连。钻孔角度朝切眼方向，数量一般为5 到8 处。

将回风巷钻场与胶带巷钻场作比较发现，在回风巷布置钻场有受工作面掘进影响较小，钻孔角度较大，钻孔难度相对较低以及抽放管路布置合理等优点。因此，应优先选择在回风巷布置钻场。

2.3 高位钻孔抗压封孔装置的现场使用

下霍煤矿设计了一种用于高位钻孔抗压封孔装置，将抗压钢管和PVC 管混合使用，通过推行该封孔方法，显著提高了在应力集中区域高位瓦斯钻孔的服务时间，增强了高位钻孔对采空区裂隙带的抽采效果。经对比，使用抗压封孔装置后高位钻孔服务长度增加了20m 以上，瓦斯抽采量提高了1 倍以上，瓦斯抽采浓度由30%上升至70%。

3 高位钻孔参数设计

3.1 钻孔仰角的确定

通过上述分析可以得出，为保证钻场瓦斯抽采效率，钻孔终孔的最佳位置应处在发育裂隙带内，如图1 图中所显示的网格部分，从图中可以看出钻孔仰角的确定，取决于裂隙带、冒落带、弯曲下沉带的具体高度，以及离层区实际宽度以及卸压角a 的大小。

图1 钻孔终孔最佳区域

图中B'到网格部分的垂直距离计算公式如下：

式中：l'为预留煤柱高度，取值45m；h2为裂隙带高度，取值47m；m 为煤层厚度，取值4.2m；a 为卸压角,a=80°。

通过现场实际勘测过公式计算得出该高瓦斯矿井中OB'值为52.54m。

将OB' 数值代入公式可得钻孔最大仰角，γ=39°。

钻孔的最小仰角β，由以下公式计算得出：

式中：OC'为C'到网格部分的垂直距离，m；h1为冒落带高度，取值17m；d 为离层区宽度，通过大量研究发现，离层区宽度d=0.8l，l 为初次来压布距，数值为30m。

经计算得出，钻孔的最小仰角β 为21°。

根据上述分析可知，在回风巷布置的钻孔数量一般为5～8 处，该实验钻场选择布置5 处钻孔，其中1号钻孔仰角取γ=39°最大值，2～5 号钻孔仰角依次降低。

3.2 钻孔方位角的确定

钻孔方位角的确定可以保证钻孔的终孔在离层区内，因此在钻孔之前，需按下式计算各个钻孔的方位角：

式中：OD'为图1 中D 点水平方向投影到网格线的距离，通过计算OD'=50.5m；OA'为图1 中A 点水平方向投影到网格线的距离，通过计算OA'=76.2m；L为钻孔长度，L≈90m；为各钻孔仰角，°；ω 为各钻孔方位角，°。

实验钻场钻孔采用ADR-250 型钻机钻进，钻机钻孔后直径为320 mm，孔径过大导致钻杆相对较重，在实际钻孔过程中，钻孔长度会存在偏差，实验钻场方位角完孔如图2 所示。因此，在计算出方位角时，适当的调整了钻孔仰角的数值；计算得出1～5 号钻孔方位角分别为180°，193°、205°、214°，222°。具体施工参数如表1 所示。

图2 实验钻场方位角完孔示意图

表1 实验钻场钻孔参数

4 高位钻孔与倾向高位巷试验观测及对比分析

为检测高位钻孔抽采的实用性，在实验矿井内进行了抽采实验，并在钻场相距100m 处增加8 条倾向高位巷，用于对比判断分析高位钻孔抽采效果。8 条高位巷位置为回风巷侧面，沿着煤层顶板以40°斜向，横截面积为2.4m×2.4m。为保证抽采数据的准确真实，瓦斯检定员会每天下井对高位钻场和高位巷进行瓦斯抽采检测，每天检测4 次取均值进行记录，记录数据如图3～图6 所示。

图3 高位钻孔瓦斯抽采浓度

图4 高位巷瓦斯抽采浓度

图3～图4 为随着工作面施工掘进，不同抽采区域内瓦斯浓度的变化曲线。从表上可以看出，高位钻场的抽采浓度最高为79%，平均浓度为45%，高位巷抽采浓度最高为52%，平均浓度为32%，相比较而言，高位钻场抽采的瓦斯浓度明显高于高位巷。

从变化规律上看，高位钻场抽采浓度随着工作面掘进深度的加深，抽采浓度不断降低。说明高位钻场受工作面变化影响较大。高位巷的抽采浓度在距工作面40m～80m 之间相对稳定；超过80m 后，抽采浓度变化剧烈，没有规律性。说明高位巷受工作面变化影响较小。

图5～图6 为随着工作面施工掘进，不同抽采区域内瓦斯纯度的变化曲线。从表上可以看出，高位钻场抽采纯度距工作面距离37m 处突然升高，达到了17.59，随后纯度相对降低，但一直保持稳定于13.23，有效抽采距离持续至距工作面距离70m 处；高位巷抽采纯度在距工作面54m 后上升至9.3，并保持稳定，有效抽采距离持续至距工作面87m。由此可以得出采用高位钻场进行瓦斯抽采不但纯度较高，有效抽采时间也相对较长。

图5 高位钻孔瓦斯抽采纯量

图6 高位巷瓦斯抽采纯量

5 结 语

以山西三元下霍高瓦斯矿井作为对象，分析计算了高位钻孔具体钻角参数，确定了钻孔仰角最佳值为21°～39°，钻孔方位角最佳值为180°～225°。在理论分析的基础上，对高位钻孔瓦斯抽采进行了现场测试，并与高位巷瓦斯抽采进行了实验对比。实验结果显示，高位钻孔瓦斯抽采虽然抽采浓度受到工作面掘进施工的影响。但不论从抽采纯度还是有效抽采时间上均高于高位巷瓦斯抽采。可以有效满足高瓦斯浓度矿井的抽采工作。