高位大直徑鉆孔采空區瓦斯抽采技術研究

馮 爭

（潞安化工集團山西高河能源有限公司，山西 長治 046100）

1 工程概況

高河能源E2306工作面切眼長310 m，膠帶順槽長981 m，可采長度496 m。開采3號煤層，平均厚度為6.41 m，采用綜采放頂煤開采，采高3.5 m，放煤高度2.91 m。3號煤層傾角平均3°，埋深在440.5～482.5 m之間。煤層含一層平均0.15 m厚夾矸，頂板為砂質泥巖，直接底為細粒砂巖。E2306工作面內無陷落柱和斷層等地質構造。E2306工作面采用兩進一回“Y”型通風方式，膠帶順槽和進風順槽進風，并將進風順槽通過沿空留巷，保留用作回風巷道使用，實現工作面“Y”型通風。工作面巷道布置及通風方式見圖1所示。E2306工作面經抽采后瓦斯含量為5.349 7 m3/t，殘存瓦斯含量為2.069 8 m3/t。3號煤層具有煤塵爆炸性，無煤（巖）與瓦斯（二氧化碳）突出危險性，煤層不易自燃。高河能源以往均采用高抽巷對工作面采空區瓦斯抽采治理。由于高抽巷為巖巷，掘進效率低，導致礦井采掘銜接緊張，為創優采空區瓦斯治理措施，解決采掘銜接的問題，決定采用高位大直徑鉆孔[1-4]替代高抽巷，進行工作面采空區瓦斯治理。

圖1 工作面布置圖

2 鉆孔方案設計

2.1 鉆孔布置

（1）鉆場選擇

高位大直徑鉆孔需對工作面開采范圍全覆蓋，因此，根據工作面推進長度496 m，選擇E2306工作面進風順槽工作面右側3#鉆場進行施工，該鉆場距工作面切眼654 m。在鉆場工作面切眼側巷幫施工6個高位大直徑鉆孔，孔徑203 mm，設計單孔孔深679 m。

（2）鉆孔層位確定

高位大直徑鉆孔一般位于裂隙帶中下部，為工作面開采厚度的4～6倍[5]。即高位大直徑鉆孔布置在工作面煤層上部約30～40 m之間。在水平方向，高位大直徑鉆孔距工作面進風順槽巷幫25～65 m之間。

（3）鉆孔參數

根據高河能源以往礦壓觀測和瓦斯抽放經驗，同時為了試驗不同層位瓦斯抽采效果，綜合確定：1#～5#鉆孔位于煤層頂板上方25 m，水平方向距工作面進風順槽分別為65 m、25 m、32 m、40 m和48 m；6#鉆孔位于煤層頂板上方35 m，水平方向距工作面進風順槽60 m。鉆孔需在工作面停采線前進入設計層位，在切眼前方下探，1#～5#鉆孔下探到煤層頂板，6#鉆孔下探到煤層上方約18 m層位。鉆孔布置如圖2、圖3。

圖2 鉆孔平面布置圖

圖3 鉆孔剖面布置圖

2.2 鉆孔施工工藝

（1）施工設備

本次施工采用ZDY15000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，屬于履帶自行式、低轉速、大轉矩類型，鉆機功率為132 kW，鉆機額定轉矩為3500～15 000 N.m。通過孔底馬達驅動鉆頭實現定向鉆進，鉆孔軌跡控制通過隨鉆測量系統測量鉆孔軌跡實現。

（2）施工工藝

鉆孔采用三次鉆進成孔工藝。首先采用直徑為120 mm的鉆頭定向鉆進，每根鉆桿，即3 m進行一次測量，分析鉆孔軌跡，并及時進行修正，確保鉆孔實際施工參數與設計相符；之后采用直徑為165 mm的鉆頭進行擴孔；再后采用直徑為203 mm的鉆孔擴孔；最后采用直徑為250 mm鉆頭擴孔，孔口的18 m作為封孔段。165 mm和203 mm鉆頭為特制鉆頭，在鉆孔內具有導向功能，可沿既有鉆孔軌跡進行擴孔作業。鉆孔施工時，每鉆進100 m后，采用洗孔液進行洗孔作業。鉆孔封孔采用“兩堵一注帶壓注漿”的工藝，封孔長度為16 m。

3 現場試驗

3.1 鉆孔施工情況

本次6個高位大直徑鉆孔自2020年4月19日開始施工，7月31日施工結束。1#孔位于煤層頂板上方23.6 m，終孔見煤，距離切眼平距10.35 m；2#孔位于煤層頂板上方22.7 m，終孔位于煤層頂板上方3 m，距離切眼平距31.2 m；3#孔位于煤層頂板上方26.1 m，終孔見煤，距離切眼平距20.88 m；4#孔位于煤層頂板上方24.6 m左右，終孔見煤，距離切眼平距5.93 m；5#孔位于煤層頂板上方約21 m，終孔見煤，距離切眼平距13.65 m；6#孔位于煤層頂板上方約36 m，終孔位于煤層頂板上方17.7 m，距離切眼平距3.43 m。鉆孔鉆進情況見表1。

表1 鉆孔鉆機情況統計表

3.2 抽采情況

E2306工作面于7月下旬開始回采，至11月12日，機頭累計推進163.4 m，機尾推進165.8 m，最大日產量8 085.2 t，切眼配風量3220 m3/min，瓦斯總涌出量為26.5 m3/min（風排11.8 m3/min）。從8月17日至11月10日進行測量，抽采濃度最高為5.0%，平均2.98%；負壓最高為17.68 kPa，平均12.06 kPa；混量最高為160.81 m3/min，平均95.05 m3/min；純量最高為8.04 m3/min，平均3.40 m3/min；回風流瓦斯濃度最高為0.46%，平均0.26%；上隅角瓦斯濃度最高為0.52%，平均0.24%。11月12日，將E2306沿空留巷柔模埋管停止接抽，11月13日現場實測數據發現，大直徑鉆孔主管路負壓提升至24.75 kPa，混量提升至239.90 m3/min，純量為10.56 m3/min。由此可見高負壓帶來的混量提升明顯。各鉆孔瓦斯抽采情況見表2。

表2 高位大直徑鉆孔瓦斯抽采情況表

4 效果分析

為了分析高位大直徑鉆孔抽采效果，對E2305和E2307工作面高抽巷及E2306工作面高位大直徑鉆孔的瓦斯濃度、抽采混量、抽采純量等三個參數進行了統計，見表3。

由表3中瓦斯濃度、抽采混量、抽采純量三個參數對比可知：采用高抽巷抽采濃度在2.3%～3.1%，采用高位大直徑鉆孔抽采濃度能達到3.6%，明顯高于高抽巷。兩種方式抽采純量相差不大，采用高位大直徑鉆孔其抽采混量相對較低。采用高位大直徑鉆孔替代高抽巷可達到理想的抽采效果。

表3 不同工作面瓦斯抽采效果對比表

5 結論

（1）結合工作面地質參數，確定了高位大直徑鉆孔布置參數，確定了一次定向、二次和三次擴孔的鉆孔施工技術工藝，并采用“兩堵一注帶壓注漿”的工藝進行鉆孔封孔。

（2）將負壓全部轉移至高位大直徑鉆孔抽采，增大高位大直徑鉆孔的抽采負壓后，大直徑鉆孔主管路負壓提升至24.75 kPa，混量提升至239.90 m3/min，純量為10.56 m3/min，高負壓帶來的混量提升明顯。

（3）從瓦斯濃度、抽采混量、抽采純量三方面，對高位大直徑鉆孔與高抽巷抽采情況進行對比分析，綜合來看，采用高位大直徑鉆孔替代高抽巷可達到理想的抽采效果。