超大直径钻孔“以孔代巷”治理上隅角瓦斯技术

蒋 璋，杨保国

(山西焦煤集团有限责任公司， 山西 太原 030024)

上隅角瓦斯治理是大部分煤矿面临的难题，国内煤矿一般采用埋管抽采或使用措施巷抽采[1-4]，这两种方法均存在一定的局限性。埋管抽放对上隅角瓦斯的控制能力不足，措施巷抽采工程投入较大。使用超大直径钻孔技术既可降低工程投入，又可保证对上隅角瓦斯的控制，实现安全开采。

1 工作面概况

19201工作面位于西曲矿南二盘区南部，南邻19202备用工作面。工作面上覆为8#煤18202、18201采空区，层间距10 m. 工作面地质构造条件中等，煤层整体倾向西南，平均倾角4°. 9#煤层厚度稳定，平均2.2 m. 煤层瓦斯含量2.32 m3/t，残存瓦斯含量0.69 m3/t. 自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层。

19201工作面采用走向长臂式开采，采长220 m，可采走向长690 m. 工作面采用U型通风方式，配风量1 200 m3/min. 回采期间工作面回风最大瓦斯浓度为0.4%，最大风排瓦斯量4.8 m3/min；受通风方式及上覆采空区瓦斯影响，回采期间工作面上隅角瓦斯浓度较高，需要治理上隅角瓦斯。

2 采空区大直径钻孔抽采技术

2.1 技术原理及施工应用

利用邻近的瓦斯治理巷道向工作面回风巷施工超大直径钻孔的方式代替专用的采空区联络巷密闭抽采的技术。使用专用的超大直径钻机施工钻孔，打穿回风巷后下入护壁套管，套管接入抽放系统，工作面回采至钻孔位置后开始大流量抽采，下一个钻孔开始抽采时结束。钻孔参数见表1，钻孔布置见图1.

表1 钻孔施工参数表

2.2 数据采集及应用效果分析

工作面顶板垮落次日，钻孔开始抽采至回采结束。考虑到防止采空区自燃的因素，工作面推过钻孔60 m后不再抽采。钻孔抽采负压为10 kPa.

通过对观测数据分析发现，钻孔未抽放时上隅角瓦斯浓度最高达到了0.94%，随着钻孔的抽采，上隅角瓦斯浓度迅速下降。抽采量与上隅角瓦斯浓度对比曲线见图2. 从图2可以看出，钻孔抽采量与上隅角瓦斯浓度呈明显的负相关关系，当抽采量达到2 m3/min时，上隅角瓦斯浓度可以控制到0.5%以下。抽采量和上隅角瓦斯浓度反复波动，其原因是由抽采钻孔与工作面的相对位置(即钻孔进入采空区深度)不断变化引起的。

图1 钻孔布置示意图

图2 抽采量与上隅角瓦斯浓度对比曲线图

为了研究抽采钻孔相对工作面的的最佳抽采位置，对3#钻孔的抽采量与工作面相对位置进行了对比分析，见图3. 由图3可知，随着钻孔进入采空区，抽采量不断增大，进入采空区25 m左右，抽采量达到最大值3 m3/min，随后逐步衰减。钻孔相对位置在10～45 m时，抽采量均高于2 m3/min，而当抽采量达到2 m3/min时，即可将上隅角瓦斯浓度基本控制到0.5%以下。因此，钻孔最合理抽采位置为采空区10～45 m处。兼顾钻孔抽采效果和经济性，钻孔最佳设计间距应为35 m，这样能保证上一个钻孔报废停抽时，下一个钻孔接替时能直接进入采空区10 m进行抽采。

图3 钻孔抽采量与工作面相对位置关系图

3 与采空区密闭插管抽采方法对比分析

传统的采空区联络巷密闭插管抽采技术在解决回采面上隅角瓦斯问题上也具有较好的效果，因此在某些条件适合，具备瓦斯治理措施巷等施工条件的工作面也广泛采用。对19201工作面上隅角瓦斯抽采分别采用超大直径一次成孔抽采技术与联络巷密闭抽采技术，并进行对比分析。

3.1 经济成本

以西曲矿9#煤层巷道综合施工成本3 300元/m为参考,施工一个20.9 m(倾角取4°折算)的联络巷，费用为6.9万元；施工联络巷后，还需施工两道密闭墙，一般性密闭墙施工费用约 6 500元，两道密闭墙费用约1.3万元。安装瓦斯管路按目前dD426管路4.5 m/根，需要5根管路，加上安装费用约2.3万元，总费用约10.5万元。

以矿井与大直径钻孔施工方签订的合同价为依据，大直径钻孔施工综合费用为2 150元/m(含下钢制筛管费用)，以此计算一个大直径钻孔费用为4.52万元。两者相比，前者比后者要多花费5.98万元。以19201工作面一共施工12个钻孔进行计算，大直径钻孔一次成孔技术要节省71.76万元。

3.2 工时工效

以西曲矿9#煤层巷道综合施工进度为参考，施工20.9 m煤巷大约需要4个班32 h，两道密闭墙需要2个班16 h，管路运输安装，约需1个班8 h，总计用时56 h. 依据现场用时测算，一个大孔径钻孔施工(21 m)大致需要3个班24 h. 两者相比，1个大直径钻孔施工要节约32 h，按照西曲矿一天两班生产、一班检修的安排，实际可节省2天左右。按此计算，工作面12个钻孔施工共能节省时间24天，这其中还未考虑掘进机频繁搬家的时间影响，实际节约时间应在30天以上。

3.3 抽采效果

两种方法所利用的抽采原理相同，在管路直径、抽采间距以及抽采系统能力等参数一致的情况下，理论上两者抽采效果应该相同。但实际生产中，传统方法需要施工的密闭墙及闭墙插管周围存在密封不严的情况，同时后期密闭墙受工作面采动压力造成的漏风影响，会在一定程度上使抽采能力消耗在无用抽采上，影响抽采效果。

3.4 其 他

新技术工艺的应用，不仅节约了经济成本，提高了工作效率，同时降低了工人的劳动强度，减少了物料的频繁运输和人工作业环节，降低了安全生产风险，具有良好的安全效益。

4 结 语

对超大直径钻孔抽采上隅角瓦斯的应用研究表明，该技术不仅解决了工作面上隅角瓦斯超限的问题，并且在经济性和时效性等方面均优于采空区联络巷密闭插管抽采技术，可应用于各工作面上隅角瓦斯容易超限的矿井。但该技术还有一定的局限性，必须具有相邻且平行的瓦斯治理措施巷以供使用，同时需要矿井有充足的抽采能力作为保障。