大直径穿透钻孔抽采瓦斯工艺技术研究及应用

2021-10-21原鹏程

机械管理开发 2021年10期

原鹏程

（山西省晋能控股煤业集团寺河矿，山西晋城 048000）

引言

晋能控股煤业集团寺河矿为煤与瓦斯突出矿井，回采工作面采用“两进一回”U 型通风方式，主要通过“专用抽排系统+定向高位钻孔”这一瓦斯治理模式实现对工作面采空区及上隅角的瓦斯治理。目前回采工作面顺槽巷道横川距离一般为70～100 m左右，现有的瓦斯治理模式能够满足工作面采空区及上隅角的瓦斯治理需要。但横川距离加长后，随着工作面推进，距离接抽闭墙越来越远时，会存在上隅角风流反向造成瓦斯超限的风险。为解决这一问题，在长距离横川之间施工Φ450 mm 大直径穿透钻孔，孔内全程嵌套式埋设Φ377 m×1 m 铁管，取代传统闭墙埋管抽采，对工作面采空区及上隅角瓦斯进行抽采，以保障工作面回采期间的瓦斯安全。

1 寺河矿基本情况

1.1 矿井基本情况

寺河矿是国家“九五”期间重点建设项目。矿井位于沁水煤田东南边缘，工业场地位于沁水县嘉峰镇殷庄村。矿区西侧紧邻侯月铁路，距候月铁路嘉峰车站1 km，距阳城电厂20 余千米，并有铁路专用线直接相连。矿井井田面积161.085 8 km2，证载范围内保有储量为998.9 Mt,可采储量为544.3 Mt，采用“一矿两井”生产模式，公告生产能力东井500 万t/年，西井400 万t/年。矿井于1996 年12 月30 日开工建设，2002 年11 月8 日通过国家验收正式投产，2008年改扩建（二期）工程开工建设，2013 年通过竣工验收。目前开采的3 号煤层煤种为低硫、低灰、低磷、高发热量优质无烟煤。

矿井采煤方法为综合机械化大采高综采工艺，掘进主要采用连采和连掘施工工艺。

1.2 煤层瓦斯赋存、瓦斯涌出及基本参数情况

寺河井田含煤地层为二叠系下统山西组、石炭系上统太原组，含煤15 层，煤层平均总厚度为14.67m。目前开采3 号煤层，平均煤厚6.0 m，煤层倾角0°～10°，一般5°左右。

矿井分为东、西两个井区，均为煤与瓦斯突出矿井，2020 年瓦斯涌出量测定结果为：东井绝对瓦斯涌出量1 117.06 m3/min（其中风排量119.5 m3/min，瓦斯抽采量997.56 m3/min），相对瓦斯涌出量95.82 m3/t，瓦斯抽采率89.30%；西井绝对瓦斯涌出量602.47 m3/min（其中风排量91.26 m3/min，井下瓦斯抽采量511.21 m3/min），相对瓦斯涌出量66.41 m3/t，瓦斯抽采率84.85%。

寺河矿东、西井3 号煤层自燃倾向性为Ⅲ类，属不易自燃煤层，煤尘无爆炸性。东、西井3 号煤层瓦斯基本参数测定结果如表1、下页表2 所示。

表1 东井3 号煤层瓦斯基本参数测定结果

表2 西井3 号煤层瓦斯基本参数测定结果

2 回采工作面瓦斯治理模式简介

寺河煤矿目前回采工作面采用“两进一回”U 型通风方式，主要通过“专用抽排系统+定向高位钻孔”这一瓦斯治理模式实现对工作面采空区及上隅角的瓦斯治理。瓦斯治理模式示意图如下图1 所示。

图1 “U”型通风方式下瓦斯治理模式示意图

1）专用抽排系统。工作面初采前，在回风巷布置一趟Φ711 mm 专用抽排管路，每个联络横川留有711/377 三通与闭墙上PE400 管连通，在工作面推过联络横川后将横川封闭，并开启负压对采空区进行抽采。随着工作面逐步向前推进，始终保持开路横川以里就近的3 个闭墙分别以90°、60°、30°开启，之后的闭墙接入低负压采空区系统抽采。闭墙连接及开启示意图如下图2 所示。

图2 闭墙连接及开启示意图

2）定向高位钻孔。在采面进风顺槽巷道横川内使用定向钻机向采空区裂隙带（6～8 倍采高层位）提前施工定向高位钻孔，每组4 个，孔深400～450 m，终孔位置布置在采面顺槽以里20～50 m 范围，使用Φ193 mm 铁管封孔至煤矸结合处以里3 m 位置。

目前寺河矿回采工作面横川距离一般为70～100 m 左右，现有的“抽排系统+定向高位钻孔”瓦斯治理模式能够满足工作面采空区及上隅角的瓦斯治理需要。但横川距离加长后，随着工作面推进，距离第一个接抽闭墙越来越远时，会存在上隅角风流反向造成瓦斯超限的风险。为解决这一问题，尝试在长横川之间施工Φ450 mm 大直径穿透孔来取代闭墙埋管抽采，以实现对工作面采空区和上隅角瓦斯的低成本高效率治理。

3 大直径穿透钻孔施工工艺

3.1 施工设备及工艺流程

钻机为ZDY-6000L 全液压坑道钻机（见图3）。

图3 ZDY-6000L 全液压坑道钻机

施工工艺流程：使用Φ73 mm 钻杆配套Φ94 mm 钻头将先导孔施工到位→Φ73 mm 钻杆配套Φ113 mm 钻头扩孔→Φ73 mm 钻杆配套Φ153 mm钻头扩孔→Φ89 mm 钻杆配套Φ200 mm 钻头扩孔→Φ89 mm 钻杆配套Φ250 mm 钻头扩孔→Φ89 mm 钻杆配套Φ350 mm 钻头扩孔→Φ400 mm 钻杆配套Φ450 mm 钻头扩孔。

封孔方式：孔内全程嵌套式埋设Φ377 mm×1 m铁管，并在管路内安设三角金属骨架，以增强管路的抗压强度。铁管与钻孔之间环空使用水泥注浆封堵严密。为切断流向采空区的杂散电流，孔内两端使用PE400 管，同时在与金属管路连接处安装接地极。

大直径穿透钻孔通过Φ377 mm 管与回采工作面Φ711 mm 专用抽排管路连通，实现对工作面采空区和上隅角瓦斯的治理。

3.2 施工工艺改进

初始的大直径穿透钻孔施工工艺较为繁琐，除先导孔施工外还需6 次扩孔方能达到要求，耗费较大的人力物力，单个钻孔施工工期在7 d 以上。对施工设备和工艺流程进行分析梳理后，提出了更优的解决方案：钻机为ZDY-6000L 全液压坑道钻机；钻杆为Φ89 mm 无缝钢管钻杆；钻头为Φ113 mm、Φ250 mm 合金钢钻头和定制的Φ450 mm 反拉钻头（见下页图4）。

图4 Φ450mm 反拉钻头

施工工艺流程：使用Φ89 mm 钻杆配套Φ113 mm 钻头将先导孔施工到位→Φ89 mm 钻杆配套Φ250 mm 钻头扩孔→Φ250 mm 钻头扩孔到位后，不退钻杆，直接更换Φ450 mm 反拉钻头进行扩孔。

使用定制的Φ450 mm 反拉钻头施工，将扩孔次数由原来的6 次缩减为2 次，单个钻孔施工工期由7 d 以上缩短为3 d 以内，大大提高了大直径穿透钻孔的施工效率。而且，减少扩孔次数后，穿透孔轨迹更为平直，孔壁更为完整，更有利于孔内埋设管路。

同时，为避免工作面推过后垮塌的矸石堵塞钻孔，大直径钻孔穿透位置选在对侧巷道调机硐室或钻场内，为穿透孔保留一定的抽采空间，以增加穿透钻孔内通过混量，提升抽放效果。长横川大直径穿透钻孔埋管示意图如图5 所示。

图5 长横川大直径穿透钻孔埋管示意图

4 应用成效

4.1 安全效益（实际抽放效果）

寺河矿东井区6302 工作面3 号—4 号横川为长距离横川（净煤柱为150 m），为保证该区域回采期间瓦斯安全，选择在63022 巷3 号横川以里75 m处向63023 巷施工大直径穿透钻孔。钻孔投运期间，孔内通过混量保持在130 m3/min 左右（见表3），与传统的横川闭墙埋管通过混量基本一致，工作面回采期间回风隅角瓦斯浓度稳定在0.4%～0.5%，证明大直径穿透孔实际抽采效果达到预期，为工作面顺利通过长距离横川提供了瓦斯保障。