塔山煤矿大直径L型高位钻孔抽放瓦斯技术研究

李维友

（大同煤矿集团有限责任公司通风处，山西 大同 037000）

1 工程背景

同煤集团塔山煤矿三盘区8301工作面平均煤厚11.66m，由于工作面产量较大，在8301工作面生产期间绝对瓦斯涌出量达到63m3/min，瓦斯问题严重威胁工作面安全回采。且由于该面回采的2#煤层赋存不稳定、上部有4#煤层采空区等因素的影响，工作面区域无法施工顶板抽放巷及地面垂直钻孔，该面原瓦斯抽放方案为井下邻巷大直径钻孔抽放瓦斯方案，即在与8301工作面回风巷相邻、距离回风巷30m位置布置一条专用瓦斯抽采巷（该抽放巷前期未与工作面贯通）施工Φ300mm大直径钻孔，设计施工Φ300mm钻孔101组，每组2个，高位孔深72m，低位孔深35m。随着工作面推进，综合考虑局部通风系统维护、邻巷矿压影响以及煤柱留设与否等实际情况，将工作面通风系统调整为三巷布置，即将工作面与专用瓦斯抽采巷贯通，工作面由原来的“两巷布置”变为“三巷布置”（工作面巷道布置示意图如图1所示），同时，在8301抽放巷内施工高位定向瓦斯抽放钻孔，工作面采用“以系统风排为基础，以大直径L型高位定向钻孔抽放结合上隅角及尾部架间埋管抽放为主要手段，以端头封堵等措施辅助”的综合技术体系治理工作面瓦斯。工作面回采期间，根据工作面瓦斯治理效果，合理调整工作面瓦斯治理措施，保证工作面安全回采。

图1 8301工作面巷道布置示意图

2 大直径L型高位钻孔抽放瓦斯技术参数分析

2.1 高位定向钻孔布置及参数

（1）钻孔垂直位置确定

8301工作面平均煤厚11.66m，工作面采用综采放顶煤的采煤方法，采煤高度3.6m，放煤高度为8.06m。根据垮落后能填满采空空间的原则，利用式（1）对工作面采空区平均冒落带的高度进行估算。

式中：

Hm-冒落带高度，m；

K1-岩石碎胀系数，根据塔山矿顶板岩性实际情况，取1.33；

K2-采空区遗煤碎胀系数，根据塔山矿煤质实际情况，取1.5；

h-工作面煤层厚度，m；

C-工作面放顶煤回采率，取90.5%。

根据上式计算得出8301工作面采空区冒落带高度约为41.96m，约为工作面煤层厚度的4倍。若以煤层顶板为准，则煤层顶板以上30m为冒落带区域，冒落带上方为裂隙带。

8301 工作面采空区上部裂隙带高度可按下式（2）计算：

式中：

H-裂隙带高度，m；

M-工作面采高，m。

根据上式计算得出8301工作面采空区裂隙带高度约为39m。

综上所述，综合考虑塔山矿现有瓦斯治理技术及定向钻孔施工经验，初步设计钻孔在距工作面煤层顶板15m层位布置，即冒落带中下部。

（2）水平位置确定

根据采空区上覆岩层运动及瓦斯运移的理论分析和通风因素对瓦斯流动的影响，初步设计钻孔水平方向距回风巷10～50m，即在8301瓦斯巷左右分别布置。如图2所示。

图2 高位定向钻孔布置剖面图

（3）钻孔数量确定

根据8301工作面瓦斯涌出特点及抽放巷封闭抽放经验，预计高位定向钻孔抽排瓦斯浓度在5%以上，预计单孔抽排量最高可达52m3/min（h=50kPa，R=39812N·S2/m4），则抽排量与施工钻孔个数的关系如下：

1.12n×60=Q

若按照抽排瓦斯纯量不低于15m3/min；

则，施工钻孔个数n=5.77≈6个。

（4）钻场布置

ZYL-15000D分体式千米定向钻机的外形尺寸为4.2×1.6×1.2m，重量14t，螺旋槽通缆定向钻杆的规格为Φ76×3000mm，据此确定钻场的尺寸长宽高不小于8.0m×5.0m×3.0m。根据8301工作面巷道布置的实际情况，需在5301巷采煤帮布置钻场。

8301 工作面回风巷全长3221m（回风绕道口至工作面切眼距离）。按照钻孔轨迹可知，钻孔爬坡距离为127m，有效段设计全长为273m，钻场布置在8301中间巷采煤帮，规格均为8.0m×5.0m×3.0m，钻孔参数如下表1所示。钻孔施工工艺：Φ113mm开孔（全孔）→Φ165mm扩孔（全孔）→Φ203mm扩孔（全孔 ）→ Φ245mm扩孔（80m）→注浆固孔（下Φ219mm套管）。

表1 施工钻孔参数表

2.2 瓦斯抽放系统布置

（1）抽放泵站及管路

选择利用三盘区地面瓦斯抽放泵站内的2BEC87型水环真空泵，单泵额定抽放能力为735m3/min；选择DN300钢管作为单孔支管，选择900mm钢管作为抽放主管路。钻孔连接方式：工作面抽放钻孔与抽放管道的连接是利用DN300胶管连接，胶管的一端连接到钻孔封孔管上，另一端与抽放瓦斯管道连接，构成抽放系统。根据塔山矿抽放瓦斯实际情况，主要是抽放采空区瓦斯，根据抽放管道内涌水特点，设计的放水装置全部选用自动放水器。

（2）瓦斯抽放系统铺设线路

支管路：8301抽放巷钻场内钻孔孔口→8301抽放巷主管路。

主管路：8301抽放巷→8301抽放巷回风绕道→三盘区回风巷→3～5#层回风联巷-1→地面→瓦斯泵站。

3 瓦斯抽采效果分析

2018年8 月2 日，三盘区地面瓦斯抽放系统井上下管路系统对接完成后，开始组织开启三盘区地面瓦斯抽放泵站内2#瓦斯泵对8301中间巷内高位定向瓦斯抽放钻孔进行抽放。抽放期间，8301中间巷对应总管路负压为40kPa，流量为362m3/min，总管路瓦斯浓度0.5%～0.7%，抽排瓦斯纯量为工作面绝对瓦斯涌出总量的36.2%，配合其他辅助措施有效解决了综放工作面瓦斯问题。高位定向瓦斯抽放钻孔抽放期间，8301工作面未发生瓦斯超限情况。

高位定向瓦斯抽放钻孔抽放效果图如图3所示。

图3 高位定向瓦斯抽放钻孔抽放效果图

4 结论

（1）大直径“L”型钻孔抽采瓦斯方案为低瓦斯高涌出高强度开采框架带瓦斯治理提供了技术支撑。

（2）通过井下大直径“L”型钻孔抽采瓦斯，提高了8301工作面瓦斯抽采效率和工作面推进速度，因瓦斯超限造成工作面停产现象得以控制，提高了工作面产量，保证了矿井安全高效生产。