唐口煤矿6305工作面高位钻孔瓦斯抽采技术的应用

王坚志 韩耀中 刘 浩

（1.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272055；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

瓦斯抽采是防止瓦斯灾害的根本方法，现阶段高位钻孔瓦斯抽放技术作为治理工作面采空区瓦斯的重要技术措施，在瓦斯矿井得到了广泛应用。高位钻孔瓦斯抽放技术应用效果如何，很大程度是取决于其技术参数的设计是否合理。

1 6305工作面基本情况

唐口矿井位于山东省济宁市西郊，矿井2001年10月开工建设，2006年1月投入生产，核定生产能力500万t。中央并列式通风，通风方式为抽出式。经煤科总院沈阳研究院鉴定目前开采的3煤煤尘具有爆炸性；煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，自然发火期为69～159d。根据现场测得的瓦斯含量，本矿井瓦斯最高含量为1.789cm3/g燃，CO2最高含量为0.235m3/g燃。目前矿井瓦斯绝对涌出量为10.6m3/min，二氧化碳绝对涌出量为6.055m3/min，属低瓦斯矿井。

6305工作面是630采区的首采放顶煤工作面，工作面北临630回风大巷，东、西部为未开拓的实炭区，南部为与新河煤矿的保护煤柱。工作面开采的3煤层平均厚度为10.08m。目前6305工作面采用皮顺高位钻孔及隅角埋管抽放瓦斯措施对采空区瓦斯灾害进行治理。

2 6305工作面瓦斯情况

2.1 6305工作面瓦斯涌出量预测

经计算，得出6305工作面开采层瓦斯涌出量预测结果，如表1所示。

表1 6305综放工作面开采层瓦斯涌出量预测结果

2.2 6305工作面瓦斯抽采必要性分析

当回采工作面的瓦斯涌出量高于通风能力所允许的瓦斯涌出量，单靠通风稀释无法达到设计产量时，瓦斯抽采就是必要的。经计算后确定的唐口煤矿6305综放工作面抽采瓦斯必要性结果见表2。

表2 回采工作面瓦斯抽采必要性判别

从表2可以看出，如果不采取抽采瓦斯措施，6305综放工作面达不到设计的产量。因此，在该工作面开展瓦斯抽采是必要的。从对我国采用综采放顶煤采煤方法矿井的统计来看，综放工作面上隅角附近瓦斯的治理往往是瓦斯治理工作的重点和难点，对于6305综放工作面来说也是如此。对比各种抽采方法，高位钻孔具有治理效果好、施工方便、效率高、效益明显的特点。因此，从安全、经济的角度考虑，在唐口煤矿6305工作面施工了高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采。

3 6305工作面高位钻孔瓦斯抽采技术

3.1 高位钻孔瓦斯抽采作用原理

采空区瓦斯运移的动力有两种：一是由于瓦斯的密度相对空气的密度小，从而使得瓦斯有向采空区上方运移的动力；二是由于进风巷与回风巷存在着压力差，使得瓦斯有向回风隅角汇集的动力，因此在靠近回风巷一侧的采空区上方裂隙带是瓦斯富集的场所[1]。利用采空区形成的“O”型圈[2]，从回风顺槽沿煤层走向在煤层顶板向采空区上方施工巷道或钻孔，抽放采空区顶板裂隙或冒落空间内积存的高浓度瓦斯，通过巷道或钻孔抽放，能够切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，改变采空区流场分布，减少采空区瓦斯涌向工作面，并控制上隅角瓦斯积聚。高位钻孔的抽放负压，加速了裂隙带内瓦斯的流动，从而使高位钻孔能够抽出高体积分数的瓦斯，使得汇集到上隅角的瓦斯大大减少。

3.2 高位钻孔参数设计

3.2.1 钻孔合理层位的选择

根据矿压理论，煤层开采后采空区上覆岩层自下而上依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带三个区域。若把高位钻孔布置在冒落带内，随着工作面的推进，该区域因受回采风量的影响，瓦斯浓度不稳定，抽出的瓦斯浓度低，抽放量小，效果差。若把钻孔布置在弯曲下沉带，岩层保持原有完整性，裂隙不够发育，裂隙之间连通性差，很难抽出大量瓦斯。因此，应该将高位钻孔布置在裂隙带。裂隙带又可分为严重断裂带、一般断裂带和微小断裂带。而裂隙带下部的严重裂隙带则是布置高位钻孔的最佳区域。

3.2.2 钻场的设计

（1）钻场布置地点的选择

从采空区漏风流流线可知，回风隅角及其附近是漏风流汇集的地方，因此布置高位钻孔应在回风巷道一侧，沿走向在煤层顶板向采空区上方施工钻孔，抽放采空区顶板裂隙和冒落空间的高浓度瓦斯。

（2）钻场参数设计

由于6305工作面皮带顺槽总长度为1660m，结合现场的实际情况，采取从6305开切眼往里200m开始，每80m布置一个钻场的方式，从回风大巷一侧到切眼共计14个钻场，编号#1～#14。

3.2.3 钻孔的设计

（1）钻孔有效高度范围及钻场高度计算

经计算，确定钻孔有效高度为32.10～45.03m。考虑到钻场钻孔的稳定性，钻孔终孔高度确定为距离煤层顶板30m。

（2）钻孔参数设计

6305工作面开采的煤层很稳定，所以#1～#14钻场施工钻孔时，施工工艺与具体参数一致。每个钻场施工3组钻孔，每个钻孔的侧视图、俯视图如图1、2所示，详细参数见表3。

4 瓦斯抽采效果分析

为了及时掌握6305工作面高位钻孔的抽放情况，在现场设置了监测设备对瓦斯参数进行了采集。通过对6305工作面10月28日～11月30日高位钻孔的多种CH4数据进行整理，可以检验高位钻孔的抽放效果。整理后的现场测量数据如表4所示。

根据表4可以得到如下结论：

（1）高位钻孔的实施，有效解决了6305工作面回风隅角瓦斯积聚的问题，工作面回风隅角瓦斯浓度下降到了0.5%以下。

（2）通过施工高位钻孔对采空区瓦斯进行抽采，减少了瓦斯向巷道的涌出，回风流中瓦斯浓度明显降低，整个工作面未出现瓦斯浓度超限的情况，工作面的瓦斯灾害得到了有效治理，保证了现场的安全生产。

图1 高位钻孔布置侧视图

图2 高位钻孔布置俯视图

表3 钻孔详细参数

表4 6305工作面高位钻孔抽采情况表

5 结论

（1）经分析得到6305工作面开采的3煤层为首采煤层，上下层均无采场采动，因此该工作面回采过程中涌出的瓦斯仅来自本煤层。通过对该工作面瓦斯涌出量的预测，发现该工作面需要进行瓦斯抽采，综合考虑各种抽采措施的特点，选择了高位钻孔技术。

（2）结合6305工作面的实际情况，对高位钻孔参数进行了设计。整个皮带顺槽共布置14个钻场，每个钻场施工3组钻孔，钻孔的终孔高度为顶板以上30m。

（3）现场的实际测量数据表明，对技术参数进行设计后施工的高位钻孔充分发挥了抽采作用，保持着较高的瓦斯抽采量，有效解决了采空区瓦斯浓度超限的问题，说明之前设计的参数是合理的。