大直徑鉆孔煤柱穿管抽放采空區瓦斯技術研究

李 凱，李生舟

（1.韓城礦業有限公司桑樹坪二號井，韓城715400；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

0 引言

隨著工作面回采強度增加，工作面瓦斯涌出日益成為困擾安全生產的難題。對于綜放工作面由于采空區遺煤較多，瓦斯涌出較大；對于煤層群開采工作面，即使采取攔截抽采措施，依然有部分鄰近煤層卸壓瓦斯涌入采空區，必須采取有效采空區瓦斯抽采措施預防上隅角瓦斯超限[1～7]。桑樹坪二號井屬于煤與瓦斯突出礦井，工作面采用自然垮落法管理采空區頂板，如采空區頂板無法隨工作面推進及時垮落，易造成采空區漏風較大，采空區積聚瓦斯得不到有效抽采，將隨風流涌入工作面積聚在采面上隅角，嚴重時發生瓦斯超限事故。目前采面回采期間，上隅角瓦斯治理采用在相鄰的2個回風巷之間施工聯絡巷，建筑隔爆閉墻壓管進行抽放，具有較好的抽采效果，但造成通向采空區的閉墻較多，工作面回采過后造成密閉墻漏風，給后期通風管理帶來很大困難。

針對此類情況，如果能直接在相鄰的回風巷煤柱施工大直徑鉆孔，通過鉆孔穿管進行抽放，不再施工聯巷，不僅解決了上隅角瓦斯問題，同時不施工聯巷也解決了后期閉墻維護及容易漏風的問題，節省了聯巷施工的費用。

但是目前礦井所使用的鉆頭最大為?133 mm，不能實現?450 mm孔徑的鉆進工作，也無穿管抽采采空區的成熟經驗，因此必須研制大直徑施工鉆頭，并探索“以孔代巷”穿管抽放采空區的工藝方法。

1 大直徑鉆頭設計

為解決?450 mm孔徑水平鉆孔的施工工作，采用?325 mm法蘭盤、廢舊鉆頭以及報廢的鋼制管路變徑加工大直徑鉆頭，此鉆頭由3部分組成，前部采用采用?94 mm鉆頭作為導向鉆頭，后部采用法蘭盤、鋼管變徑以及合金鋼作為切削部，中部采用廢舊鉆桿及角鐵固定作為鉆桿連接部，法蘭盤增加去缺口鉆屑可以方便排出，此鉆頭可以實現?450 mm孔徑鉆孔的施工工作，鉆頭如圖1所示。

圖1 ?450mm孔徑鉆頭設計圖

2 大直徑鉆孔施工工藝及抽采方法

2.1 大直徑鉆孔鉆孔施工工藝

根據礦井歷史上工作面回采期間上隅角瓦斯抽采情況，確定大直徑鉆施工工藝流程如下：

①1）鉆孔開口位置距離頂板約0.5m，見圖2。

圖2 ?450 mm大直徑鉆孔開孔示意圖

2）施工采用ZDY3500LP履帶式鉆機，首先采用?133 mm鉆頭施工穿過煤柱。

3）換?450 mm鉆頭，將鉆孔擴至?450 mm，由于擴孔孔徑較大，鉆孔施工速度應降低，采用壓風排渣，鉆孔施工完畢后應將鉆孔內煤渣清理干凈。

4）由于巷道寬度有限，為方便抽采管路穿過煤柱，加工3個?325 mm抽放管短接，分別為4、4、3 m，將管路采用法蘭盤連接送入孔內，巷道兩側分別露頭0.5 m，管路連接過程中，應確保螺絲及膠墊安裝齊全。采用兩堵一注封孔工藝進行封堵，見圖3。

圖3 ?450 mm大直徑鉆孔布置封堵示意圖

5）根據工作面回采，適時并入采用采空區低負壓抽采系統進行抽放。

2.2 煤柱穿管抽采采空區方法

常規的聯絡巷壓管抽采是巷道準備階段，在相鄰2條巷道之間每隔50 m施工一段聯絡巷，相鄰巷道提前施工的聯絡巷采用普通密閉隔斷；后期待工作面回采至附近后，拆除普通密閉墻，壓管并砌筑防爆密閉墻后進行采空區瓦斯抽采，如圖4（a）所示。

工作面的煤柱穿管可以提前施工并封孔完畢，連接至抽采管路中，待工作面回采過穿管位置并砌筑好袋子墻密閉后，聯通大直徑穿管開始抽采采空區瓦斯如圖4（b）所示。

圖4 常規壓管抽采和煤柱穿管抽采方案對比

3 大直徑鉆孔煤柱穿管抽放效果

3.1 工作面上隅角治理效果

以桑樹坪二號井3304工作面為試驗，前期采用常規聯絡巷壓管抽采采空區瓦斯，后期采用大直徑鉆孔煤柱穿管抽采采空區瓦斯，對這2種抽采方式下工作面上隅角瓦斯濃度進行了考察，工作面上隅角瓦斯濃度變化曲線如圖5所示。采用常規聯絡巷壓管抽采采空區瓦斯期間，工作面上隅角瓦斯濃度一般在0.40%～0.76%，平均約在0.6%。工作面回采至大直徑鉆孔煤柱穿管抽采采空區瓦斯段，上隅角瓦斯濃度有了明顯下降，在日產量無較大變化情況下，上隅角瓦斯濃度一般在0.30%～0.40%，平均約在0.35%，且低負壓抽采管路中的瓦斯濃度和流量均有增高，表明大直徑鉆孔煤柱穿管抽采采空區瓦斯效果較好。

圖5 3304工作面上隅角瓦斯濃度變化曲線

3304工作面采用大直徑鉆孔煤柱穿管進行采空區瓦斯抽采，省去了采面1、2號回風巷之間聯巷以及防爆閉墻的施工，同時未出現3303采面回采后閉墻因來壓造成的閉墻漏風、泄漏瓦斯等現象。同時解決了工作面初采初放期間頂板垮落問題，杜絕上隅角瓦斯超限，保障礦井安全高效開采。該技術施工難度低，安全隱患少，具有廣闊的推廣應用前景。

3.2 煤柱穿管抽采效益分析

以3304工作面條件進行效益分析，工作面長800余m，若采用聯巷埋管抽采，每隔50m施工1個聯巷，共計需施工16個聯巷，每個聯巷施工一組5m厚的隔爆閉墻壓管進行采空區抽放。若采用煤柱穿管抽采，每100m施工1個大直徑鉆孔進行穿管抽放，共需施工鉆孔9個。

1）聯巷壓管抽采費用估算。3304采面共計需施工16個聯巷，共計掘進進尺160m，聯巷的掘進費用約128萬元。每個聯巷貫通后施工兩道普通閉墻，每道墻施工共需材料及人工費用4.2萬元，施工普通閉墻共計需要134.4萬元。聯管抽采前，需要建立隔爆閉墻，每組隔爆閉墻共計材料及人工費用10.4萬元，工作面共計需要166.4萬元，綜上總費用428.8萬元。

2）煤柱穿管抽采費用估算。大直徑鉆頭加工材料費用0.45萬元。每個大直徑鉆孔封孔材料費用15 500元，則封孔材料費用為13.95萬元。按照每6個小班施工一個大直徑鉆孔，每班用工4人，包括移鉆、鉆孔封孔、清理鉆屑、下管連孔抽放等工作，人工單價按照208元/工·小班計算，9個大直徑鉆孔施工需要人工費用為4.5萬元。

綜上所述3304采面施工大直徑鉆孔煤柱穿管進行抽放，共計產生工程費用18.9萬元，相較于聯絡巷壓管抽采節省409.9萬元。

該技術在治理工作面上隅角瓦斯超限方面效果顯著，節省了聯巷和密閉墻施工、維護的人力、物力、財力，使用價值很強，達到了安全、經濟、有效的目標，形成了新的瓦斯治理范例，為相似條件的工作面瓦斯治理提供科學依據和實用技術手段。

4 結論

研制的大直徑鉆頭裝置加工簡單方便，節省材料，適用于水平煤層大直徑鉆孔的施工工作，鉆孔成型效果好。適用于多種鉆機，安裝方便，節約時間，維修量小，可反復使用。已在礦井進行了使用，有效的實現了相鄰回風巷煤柱鉆孔施工。

大直徑鉆孔煤柱穿管“以孔代巷”抽放技術研究解決了礦井聯巷壓管抽采過程中出現的諸多弊端。該代替了原來的聯巷施工隔爆閉壓管抽放技術，節省了聯巷施工及隔爆閉施工等工序，同時解決了回采后期的閉墻漏風問題，工作面上隅角瓦斯濃度降低了約0.25%，起到了較好的瓦斯治理效果。