大直徑穿透鉆孔抽采瓦斯工藝技術研究及應用

原鵬程

（山西省晉能控股煤業集團寺河礦，山西 晉城 048000）

引言

晉能控股煤業集團寺河礦為煤與瓦斯突出礦井，回采工作面采用“兩進一回”U 型通風方式，主要通過“專用抽排系統+定向高位鉆孔”這一瓦斯治理模式實現對工作面采空區及上隅角的瓦斯治理。目前回采工作面順槽巷道橫川距離一般為70～100 m左右，現有的瓦斯治理模式能夠滿足工作面采空區及上隅角的瓦斯治理需要。但橫川距離加長后，隨著工作面推進，距離接抽閉墻越來越遠時，會存在上隅角風流反向造成瓦斯超限的風險。為解決這一問題，在長距離橫川之間施工Φ450 mm 大直徑穿透鉆孔，孔內全程嵌套式埋設Φ377 m×1 m 鐵管，取代傳統閉墻埋管抽采，對工作面采空區及上隅角瓦斯進行抽采，以保障工作面回采期間的瓦斯安全。

1 寺河礦基本情況

1.1 礦井基本情況

寺河礦是國家“九五”期間重點建設項目。礦井位于沁水煤田東南邊緣，工業場地位于沁水縣嘉峰鎮殷莊村。礦區西側緊鄰侯月鐵路，距候月鐵路嘉峰車站1 km，距陽城電廠20 余千米，并有鐵路專用線直接相連。礦井井田面積161.085 8 km2，證載范圍內保有儲量為998.9 Mt,可采儲量為544.3 Mt，采用“一礦兩井”生產模式，公告生產能力東井500 萬t/年，西井400 萬t/年。礦井于1996 年12 月30 日開工建設，2002 年11 月8 日通過國家驗收正式投產，2008年改擴建（二期）工程開工建設，2013 年通過竣工驗收。目前開采的3 號煤層煤種為低硫、低灰、低磷、高發熱量優質無煙煤。

礦井采煤方法為綜合機械化大采高綜采工藝，掘進主要采用連采和連掘施工工藝。

1.2 煤層瓦斯賦存、瓦斯涌出及基本參數情況

寺河井田含煤地層為二疊系下統山西組、石炭系上統太原組，含煤15 層，煤層平均總厚度為14.67m。目前開采3 號煤層，平均煤厚6.0 m，煤層傾角0°～10°，一般5°左右。

礦井分為東、西兩個井區，均為煤與瓦斯突出礦井，2020 年瓦斯涌出量測定結果為：東井絕對瓦斯涌出量1 117.06 m3/min（其中風排量119.5 m3/min，瓦斯抽采量997.56 m3/min），相對瓦斯涌出量95.82 m3/t，瓦斯抽采率89.30%；西井絕對瓦斯涌出量602.47 m3/min（其中風排量91.26 m3/min，井下瓦斯抽采量511.21 m3/min），相對瓦斯涌出量66.41 m3/t，瓦斯抽采率84.85%。

寺河礦東、西井3 號煤層自燃傾向性為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。東、西井3 號煤層瓦斯基本參數測定結果如表1、下頁表2 所示。

表1 東井3 號煤層瓦斯基本參數測定結果

表2 西井3 號煤層瓦斯基本參數測定結果

2 回采工作面瓦斯治理模式簡介

寺河煤礦目前回采工作面采用“兩進一回”U 型通風方式，主要通過“專用抽排系統+定向高位鉆孔”這一瓦斯治理模式實現對工作面采空區及上隅角的瓦斯治理。瓦斯治理模式示意圖如下圖1 所示。

圖1 “U”型通風方式下瓦斯治理模式示意圖

1）專用抽排系統。工作面初采前，在回風巷布置一趟Φ711 mm 專用抽排管路，每個聯絡橫川留有711/377 三通與閉墻上PE400 管連通，在工作面推過聯絡橫川后將橫川封閉，并開啟負壓對采空區進行抽采。隨著工作面逐步向前推進，始終保持開路橫川以里就近的3 個閉墻分別以90°、60°、30°開啟，之后的閉墻接入低負壓采空區系統抽采。閉墻連接及開啟示意圖如下圖2 所示。

圖2 閉墻連接及開啟示意圖

2）定向高位鉆孔。在采面進風順槽巷道橫川內使用定向鉆機向采空區裂隙帶（6～8 倍采高層位）提前施工定向高位鉆孔，每組4 個，孔深400～450 m，終孔位置布置在采面順槽以里20～50 m 范圍，使用Φ193 mm 鐵管封孔至煤矸結合處以里3 m 位置。

目前寺河礦回采工作面橫川距離一般為70～100 m 左右，現有的“抽排系統+定向高位鉆孔”瓦斯治理模式能夠滿足工作面采空區及上隅角的瓦斯治理需要。但橫川距離加長后，隨著工作面推進，距離第一個接抽閉墻越來越遠時，會存在上隅角風流反向造成瓦斯超限的風險。為解決這一問題，嘗試在長橫川之間施工Φ450 mm 大直徑穿透孔來取代閉墻埋管抽采，以實現對工作面采空區和上隅角瓦斯的低成本高效率治理。

3 大直徑穿透鉆孔施工工藝

3.1 施工設備及工藝流程

鉆機為ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機（見圖3）。

圖3 ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機

施工工藝流程：使用Φ73 mm 鉆桿配套Φ94 mm 鉆頭將先導孔施工到位→Φ73 mm 鉆桿配套Φ113 mm 鉆頭擴孔→Φ73 mm 鉆桿配套Φ153 mm鉆頭擴孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ200 mm 鉆頭擴孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ250 mm 鉆頭擴孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ350 mm 鉆頭擴孔→Φ400 mm 鉆桿配套Φ450 mm 鉆頭擴孔。

封孔方式：孔內全程嵌套式埋設Φ377 mm×1 m鐵管，并在管路內安設三角金屬骨架，以增強管路的抗壓強度。鐵管與鉆孔之間環空使用水泥注漿封堵嚴密。為切斷流向采空區的雜散電流，孔內兩端使用PE400 管，同時在與金屬管路連接處安裝接地極。

大直徑穿透鉆孔通過Φ377 mm 管與回采工作面Φ711 mm 專用抽排管路連通，實現對工作面采空區和上隅角瓦斯的治理。

3.2 施工工藝改進

初始的大直徑穿透鉆孔施工工藝較為繁瑣，除先導孔施工外還需6 次擴孔方能達到要求，耗費較大的人力物力，單個鉆孔施工工期在7 d 以上。對施工設備和工藝流程進行分析梳理后，提出了更優的解決方案：鉆機為ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機；鉆桿為Φ89 mm 無縫鋼管鉆桿；鉆頭為Φ113 mm、Φ250 mm 合金鋼鉆頭和定制的Φ450 mm 反拉鉆頭（見下頁圖4）。

圖4 Φ450mm 反拉鉆頭

施工工藝流程：使用Φ89 mm 鉆桿配套Φ113 mm 鉆頭將先導孔施工到位→Φ89 mm 鉆桿配套Φ250 mm 鉆頭擴孔→Φ250 mm 鉆頭擴孔到位后，不退鉆桿，直接更換Φ450 mm 反拉鉆頭進行擴孔。

使用定制的Φ450 mm 反拉鉆頭施工，將擴孔次數由原來的6 次縮減為2 次，單個鉆孔施工工期由7 d 以上縮短為3 d 以內，大大提高了大直徑穿透鉆孔的施工效率。而且，減少擴孔次數后，穿透孔軌跡更為平直，孔壁更為完整，更有利于孔內埋設管路。

同時，為避免工作面推過后垮塌的矸石堵塞鉆孔，大直徑鉆孔穿透位置選在對側巷道調機硐室或鉆場內，為穿透孔保留一定的抽采空間，以增加穿透鉆孔內通過混量，提升抽放效果。長橫川大直徑穿透鉆孔埋管示意圖如圖5 所示。

圖5 長橫川大直徑穿透鉆孔埋管示意圖

4 應用成效

4.1 安全效益（實際抽放效果）

寺河礦東井區6302 工作面3 號—4 號橫川為長距離橫川（凈煤柱為150 m），為保證該區域回采期間瓦斯安全，選擇在63022 巷3 號橫川以里75 m處向63023 巷施工大直徑穿透鉆孔。鉆孔投運期間，孔內通過混量保持在130 m3/min 左右（見表3），與傳統的橫川閉墻埋管通過混量基本一致，工作面回采期間回風隅角瓦斯濃度穩定在0.4%～0.5%，證明大直徑穿透孔實際抽采效果達到預期，為工作面順利通過長距離橫川提供了瓦斯保障。

表3 63022 巷大直徑穿透孔抽采參數測量統計表

4.2 經濟效益

寺河礦工作面順槽巷道橫川煤柱一般為45 m，掘進隊組貫通一個橫川和后期的通風設施建設累計花費成本約為37 萬元，而施工一個大直徑穿透鉆孔的綜合成本約為2 萬元，即可節約成本35 萬元。目前寺河礦已累計施工大直徑穿透鉆孔10 個，累計節約成本350 萬元。

5 結語

大直徑穿透鉆孔的成功運用，創新了回采工作面采空區和上隅角瓦斯治理的新模式，大大減少了工作面順槽巷道貫通橫川的工程量，對優化礦井通風系統、保障工作面回采期間瓦斯安全、緩解礦井“抽掘采”銜接緊張都具有重要的積極意義，具有良好的推廣應用前景。