超大直徑鉆孔“以孔代巷”治理上隅角瓦斯技術

蔣 璋，楊保國

(山西焦煤集團有限責任公司， 山西 太原 030024)

上隅角瓦斯治理是大部分煤礦面臨的難題，國內煤礦一般采用埋管抽采或使用措施巷抽采[1-4]，這兩種方法均存在一定的局限性。埋管抽放對上隅角瓦斯的控制能力不足，措施巷抽采工程投入較大。使用超大直徑鉆孔技術既可降低工程投入，又可保證對上隅角瓦斯的控制，實現安全開采。

1 工作面概況

19201工作面位于西曲礦南二盤區南部，南鄰19202備用工作面。工作面上覆為8#煤18202、18201采空區，層間距10 m. 工作面地質構造條件中等，煤層整體傾向西南，平均傾角4°. 9#煤層厚度穩定，平均2.2 m. 煤層瓦斯含量2.32 m3/t，殘存瓦斯含量0.69 m3/t. 自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層。

19201工作面采用走向長臂式開采，采長220 m，可采走向長690 m. 工作面采用U型通風方式，配風量1 200 m3/min. 回采期間工作面回風最大瓦斯濃度為0.4%，最大風排瓦斯量4.8 m3/min；受通風方式及上覆采空區瓦斯影響，回采期間工作面上隅角瓦斯濃度較高，需要治理上隅角瓦斯。

2 采空區大直徑鉆孔抽采技術

2.1 技術原理及施工應用

利用鄰近的瓦斯治理巷道向工作面回風巷施工超大直徑鉆孔的方式代替專用的采空區聯絡巷密閉抽采的技術。使用專用的超大直徑鉆機施工鉆孔，打穿回風巷后下入護壁套管，套管接入抽放系統，工作面回采至鉆孔位置后開始大流量抽采，下一個鉆孔開始抽采時結束。鉆孔參數見表1，鉆孔布置見圖1.

表1 鉆孔施工參數表

2.2 數據采集及應用效果分析

工作面頂板垮落次日，鉆孔開始抽采至回采結束?？紤]到防止采空區自燃的因素，工作面推過鉆孔60 m后不再抽采。鉆孔抽采負壓為10 kPa.

通過對觀測數據分析發現，鉆孔未抽放時上隅角瓦斯濃度最高達到了0.94%，隨著鉆孔的抽采，上隅角瓦斯濃度迅速下降。抽采量與上隅角瓦斯濃度對比曲線見圖2. 從圖2可以看出，鉆孔抽采量與上隅角瓦斯濃度呈明顯的負相關關系，當抽采量達到2 m3/min時，上隅角瓦斯濃度可以控制到0.5%以下。抽采量和上隅角瓦斯濃度反復波動，其原因是由抽采鉆孔與工作面的相對位置(即鉆孔進入采空區深度)不斷變化引起的。

圖1 鉆孔布置示意圖

圖2 抽采量與上隅角瓦斯濃度對比曲線圖

為了研究抽采鉆孔相對工作面的的最佳抽采位置，對3#鉆孔的抽采量與工作面相對位置進行了對比分析，見圖3. 由圖3可知，隨著鉆孔進入采空區，抽采量不斷增大，進入采空區25 m左右，抽采量達到最大值3 m3/min，隨后逐步衰減。鉆孔相對位置在10～45 m時，抽采量均高于2 m3/min，而當抽采量達到2 m3/min時，即可將上隅角瓦斯濃度基本控制到0.5%以下。因此，鉆孔最合理抽采位置為采空區10～45 m處。兼顧鉆孔抽采效果和經濟性，鉆孔最佳設計間距應為35 m，這樣能保證上一個鉆孔報廢停抽時，下一個鉆孔接替時能直接進入采空區10 m進行抽采。

圖3 鉆孔抽采量與工作面相對位置關系圖

3 與采空區密閉插管抽采方法對比分析

傳統的采空區聯絡巷密閉插管抽采技術在解決回采面上隅角瓦斯問題上也具有較好的效果，因此在某些條件適合，具備瓦斯治理措施巷等施工條件的工作面也廣泛采用。對19201工作面上隅角瓦斯抽采分別采用超大直徑一次成孔抽采技術與聯絡巷密閉抽采技術，并進行對比分析。

3.1 經濟成本

以西曲礦9#煤層巷道綜合施工成本3 300元/m為參考,施工一個20.9 m(傾角取4°折算)的聯絡巷，費用為6.9萬元；施工聯絡巷后，還需施工兩道密閉墻，一般性密閉墻施工費用約 6 500元，兩道密閉墻費用約1.3萬元。安裝瓦斯管路按目前dD426管路4.5 m/根，需要5根管路，加上安裝費用約2.3萬元，總費用約10.5萬元。

以礦井與大直徑鉆孔施工方簽訂的合同價為依據，大直徑鉆孔施工綜合費用為2 150元/m(含下鋼制篩管費用)，以此計算一個大直徑鉆孔費用為4.52萬元。兩者相比，前者比后者要多花費5.98萬元。以19201工作面一共施工12個鉆孔進行計算，大直徑鉆孔一次成孔技術要節省71.76萬元。

3.2 工時工效

以西曲礦9#煤層巷道綜合施工進度為參考，施工20.9 m煤巷大約需要4個班32 h，兩道密閉墻需要2個班16 h，管路運輸安裝，約需1個班8 h，總計用時56 h. 依據現場用時測算，一個大孔徑鉆孔施工(21 m)大致需要3個班24 h. 兩者相比，1個大直徑鉆孔施工要節約32 h，按照西曲礦一天兩班生產、一班檢修的安排，實際可節省2天左右。按此計算，工作面12個鉆孔施工共能節省時間24天，這其中還未考慮掘進機頻繁搬家的時間影響，實際節約時間應在30天以上。

3.3 抽采效果

兩種方法所利用的抽采原理相同，在管路直徑、抽采間距以及抽采系統能力等參數一致的情況下，理論上兩者抽采效果應該相同。但實際生產中，傳統方法需要施工的密閉墻及閉墻插管周圍存在密封不嚴的情況，同時后期密閉墻受工作面采動壓力造成的漏風影響，會在一定程度上使抽采能力消耗在無用抽采上，影響抽采效果。

3.4 其 他

新技術工藝的應用，不僅節約了經濟成本，提高了工作效率，同時降低了工人的勞動強度，減少了物料的頻繁運輸和人工作業環節，降低了安全生產風險，具有良好的安全效益。

4 結 語

對超大直徑鉆孔抽采上隅角瓦斯的應用研究表明，該技術不僅解決了工作面上隅角瓦斯超限的問題，并且在經濟性和時效性等方面均優于采空區聯絡巷密閉插管抽采技術，可應用于各工作面上隅角瓦斯容易超限的礦井。但該技術還有一定的局限性，必須具有相鄰且平行的瓦斯治理措施巷以供使用，同時需要礦井有充足的抽采能力作為保障。