高瓦斯礦井高位鉆孔抽采技術研究

胡 文 浩

（長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046605）

0 引 言

隨著煤炭挖掘水平的不斷提高，礦井開采日益加深，往往出現低瓦斯礦井逐漸轉換為高瓦斯礦井的情況。由于瓦斯抽采能力的不足，導致井下瓦斯爆炸的可能性增加，嚴重影響了煤礦開采的安全生產。為解決這一問題，以三元下霍煤礦高瓦斯礦井作為研究對象，對高位鉆孔瓦斯抽采技術進行分析研究。

1 地質概況

山西三元下霍煤礦位于長子縣慈林鎮五里莊村北300m，核定生產能力240 萬t/a。井田位于沁水煤田潞安礦區，井田面積為40.8123km2，批準開采3 號煤層，地質儲量284.97Mt，可采儲量為173.82Mt，煤種為貧瘦煤、貧煤，礦井鑒定為高瓦斯礦井。現階段對礦井瓦斯涌出量測定，礦井絕對瓦斯涌出量為12.66m3/min，相對瓦斯涌出量為2.86m3/t。

2 高位鉆場位置選擇與現場使用

高位鉆孔通風的原理是在已有的通風區域內，人為的增加通風管路。通風管路主要分布于采空區，將采空區與地面相連，利用采空區與地面產生的壓差，將巷道內高濃度瓦斯從采空區排出。這樣不但降低了工作區瓦斯濃度，還能夠緩解通風系統排放瓦斯的壓力。

高位鉆孔的位置對排放瓦斯效果的好壞影響很大，目前，鉆場位置一般布置在膠帶巷或者回風巷。

2.1 膠帶巷布置鉆場

膠帶巷布置的鉆場面積一般為4m×4m×3m，鉆場位置在膠帶巷側壁一處傾向巷道末端，鉆孔將巷道與地面相連，地面處鉆孔位于發育裂隙帶內。鉆孔角度與巷道成扇形分布，數量一般為4 處。

在膠帶巷布置鉆孔的缺點在于，鉆場抽采瓦斯的壽命時間受工作面推進的限制，因為隨著掘進的深入，鉆孔會被破壞掉，抽取瓦斯的能力會逐漸降低直到徹底失效。為了延長鉆場抽取壽命，可以提高鉆孔的傾角，但這樣會導致鉆孔長期處于冒落帶，嚴重降低鉆孔的利用率。

施工方面，膠帶巷布置的鉆場鉆孔角度較小，鉆孔難度較大，容易造成埋孔現象。同時抽放瓦斯的管路需放置在膠帶巷內，減少了巷道有效斷面面積。

2.2 回風巷布置鉆場

回風巷布置的鉆場面積一般為4m×4m×3m，鉆場位置在回風巷側壁，鉆孔將鉆場與地面相連。鉆孔角度朝切眼方向，數量一般為5 到8 處。

將回風巷鉆場與膠帶巷鉆場作比較發現，在回風巷布置鉆場有受工作面掘進影響較小，鉆孔角度較大，鉆孔難度相對較低以及抽放管路布置合理等優點。因此，應優先選擇在回風巷布置鉆場。

2.3 高位鉆孔抗壓封孔裝置的現場使用

下霍煤礦設計了一種用于高位鉆孔抗壓封孔裝置，將抗壓鋼管和PVC 管混合使用，通過推行該封孔方法，顯著提高了在應力集中區域高位瓦斯鉆孔的服務時間，增強了高位鉆孔對采空區裂隙帶的抽采效果。經對比，使用抗壓封孔裝置后高位鉆孔服務長度增加了20m 以上，瓦斯抽采量提高了1 倍以上，瓦斯抽采濃度由30%上升至70%。

3 高位鉆孔參數設計

3.1 鉆孔仰角的確定

通過上述分析可以得出，為保證鉆場瓦斯抽采效率，鉆孔終孔的最佳位置應處在發育裂隙帶內，如圖1 圖中所顯示的網格部分，從圖中可以看出鉆孔仰角的確定，取決于裂隙帶、冒落帶、彎曲下沉帶的具體高度，以及離層區實際寬度以及卸壓角a 的大小。

圖1 鉆孔終孔最佳區域

圖中B'到網格部分的垂直距離計算公式如下：

式中：l'為預留煤柱高度，取值45m；h2為裂隙帶高度，取值47m；m 為煤層厚度，取值4.2m；a 為卸壓角,a=80°。

通過現場實際勘測過公式計算得出該高瓦斯礦井中OB'值為52.54m。

將OB' 數值代入公式可得鉆孔最大仰角，γ=39°。

鉆孔的最小仰角β，由以下公式計算得出：

式中：OC'為C'到網格部分的垂直距離，m；h1為冒落帶高度，取值17m；d 為離層區寬度，通過大量研究發現，離層區寬度d=0.8l，l 為初次來壓布距，數值為30m。

經計算得出，鉆孔的最小仰角β 為21°。

根據上述分析可知，在回風巷布置的鉆孔數量一般為5～8 處，該實驗鉆場選擇布置5 處鉆孔，其中1號鉆孔仰角取γ=39°最大值，2～5 號鉆孔仰角依次降低。

3.2 鉆孔方位角的確定

鉆孔方位角的確定可以保證鉆孔的終孔在離層區內，因此在鉆孔之前，需按下式計算各個鉆孔的方位角：

式中：OD'為圖1 中D 點水平方向投影到網格線的距離，通過計算OD'=50.5m；OA'為圖1 中A 點水平方向投影到網格線的距離，通過計算OA'=76.2m；L為鉆孔長度，L≈90m；為各鉆孔仰角，°；ω 為各鉆孔方位角，°。

實驗鉆場鉆孔采用ADR-250 型鉆機鉆進，鉆機鉆孔后直徑為320 mm，孔徑過大導致鉆桿相對較重，在實際鉆孔過程中，鉆孔長度會存在偏差，實驗鉆場方位角完孔如圖2 所示。因此，在計算出方位角時，適當的調整了鉆孔仰角的數值；計算得出1～5 號鉆孔方位角分別為180°，193°、205°、214°，222°。具體施工參數如表1 所示。

圖2 實驗鉆場方位角完孔示意圖

表1 實驗鉆場鉆孔參數

4 高位鉆孔與傾向高位巷試驗觀測及對比分析

為檢測高位鉆孔抽采的實用性，在實驗礦井內進行了抽采實驗，并在鉆場相距100m 處增加8 條傾向高位巷，用于對比判斷分析高位鉆孔抽采效果。8 條高位巷位置為回風巷側面，沿著煤層頂板以40°斜向，橫截面積為2.4m×2.4m。為保證抽采數據的準確真實，瓦斯檢定員會每天下井對高位鉆場和高位巷進行瓦斯抽采檢測，每天檢測4 次取均值進行記錄，記錄數據如圖3～圖6 所示。

圖3 高位鉆孔瓦斯抽采濃度

圖4 高位巷瓦斯抽采濃度

圖3～圖4 為隨著工作面施工掘進，不同抽采區域內瓦斯濃度的變化曲線。從表上可以看出，高位鉆場的抽采濃度最高為79%，平均濃度為45%，高位巷抽采濃度最高為52%，平均濃度為32%，相比較而言，高位鉆場抽采的瓦斯濃度明顯高于高位巷。

從變化規律上看，高位鉆場抽采濃度隨著工作面掘進深度的加深，抽采濃度不斷降低。說明高位鉆場受工作面變化影響較大。高位巷的抽采濃度在距工作面40m～80m 之間相對穩定；超過80m 后，抽采濃度變化劇烈，沒有規律性。說明高位巷受工作面變化影響較小。

圖5～圖6 為隨著工作面施工掘進，不同抽采區域內瓦斯純度的變化曲線。從表上可以看出，高位鉆場抽采純度距工作面距離37m 處突然升高，達到了17.59，隨后純度相對降低，但一直保持穩定于13.23，有效抽采距離持續至距工作面距離70m 處；高位巷抽采純度在距工作面54m 后上升至9.3，并保持穩定，有效抽采距離持續至距工作面87m。由此可以得出采用高位鉆場進行瓦斯抽采不但純度較高，有效抽采時間也相對較長。

圖5 高位鉆孔瓦斯抽采純量

圖6 高位巷瓦斯抽采純量

5 結 語

以山西三元下霍高瓦斯礦井作為對象，分析計算了高位鉆孔具體鉆角參數，確定了鉆孔仰角最佳值為21°～39°，鉆孔方位角最佳值為180°～225°。在理論分析的基礎上，對高位鉆孔瓦斯抽采進行了現場測試，并與高位巷瓦斯抽采進行了實驗對比。實驗結果顯示，高位鉆孔瓦斯抽采雖然抽采濃度受到工作面掘進施工的影響。但不論從抽采純度還是有效抽采時間上均高于高位巷瓦斯抽采。可以有效滿足高瓦斯濃度礦井的抽采工作。