高位大直径钻孔采空区瓦斯抽采技术研究

冯 争

（潞安化工集团山西高河能源有限公司，山西 长治 046100）

1 工程概况

高河能源E2306工作面切眼长310 m，胶带顺槽长981 m，可采长度496 m。开采3号煤层，平均厚度为6.41 m，采用综采放顶煤开采，采高3.5 m，放煤高度2.91 m。3号煤层倾角平均3°，埋深在440.5～482.5 m之间。煤层含一层平均0.15 m厚夹矸，顶板为砂质泥岩，直接底为细粒砂岩。E2306工作面内无陷落柱和断层等地质构造。E2306工作面采用两进一回“Y”型通风方式，胶带顺槽和进风顺槽进风，并将进风顺槽通过沿空留巷，保留用作回风巷道使用，实现工作面“Y”型通风。工作面巷道布置及通风方式见图1所示。E2306工作面经抽采后瓦斯含量为5.349 7 m3/t，残存瓦斯含量为2.069 8 m3/t。3号煤层具有煤尘爆炸性，无煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出危险性，煤层不易自燃。高河能源以往均采用高抽巷对工作面采空区瓦斯抽采治理。由于高抽巷为岩巷，掘进效率低，导致矿井采掘衔接紧张，为创优采空区瓦斯治理措施，解决采掘衔接的问题，决定采用高位大直径钻孔[1-4]替代高抽巷，进行工作面采空区瓦斯治理。

图1 工作面布置图

2 钻孔方案设计

2.1 钻孔布置

（1）钻场选择

高位大直径钻孔需对工作面开采范围全覆盖，因此，根据工作面推进长度496 m，选择E2306工作面进风顺槽工作面右侧3#钻场进行施工，该钻场距工作面切眼654 m。在钻场工作面切眼侧巷帮施工6个高位大直径钻孔，孔径203 mm，设计单孔孔深679 m。

（2）钻孔层位确定

高位大直径钻孔一般位于裂隙带中下部，为工作面开采厚度的4～6倍[5]。即高位大直径钻孔布置在工作面煤层上部约30～40 m之间。在水平方向，高位大直径钻孔距工作面进风顺槽巷帮25～65 m之间。

（3）钻孔参数

根据高河能源以往矿压观测和瓦斯抽放经验，同时为了试验不同层位瓦斯抽采效果，综合确定：1#～5#钻孔位于煤层顶板上方25 m，水平方向距工作面进风顺槽分别为65 m、25 m、32 m、40 m和48 m；6#钻孔位于煤层顶板上方35 m，水平方向距工作面进风顺槽60 m。钻孔需在工作面停采线前进入设计层位，在切眼前方下探，1#～5#钻孔下探到煤层顶板，6#钻孔下探到煤层上方约18 m层位。钻孔布置如图2、图3。

图2 钻孔平面布置图

图3 钻孔剖面布置图

2.2 钻孔施工工艺

（1）施工设备

本次施工采用ZDY15000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机，属于履带自行式、低转速、大转矩类型，钻机功率为132 kW，钻机额定转矩为3500～15 000 N.m。通过孔底马达驱动钻头实现定向钻进，钻孔轨迹控制通过随钻测量系统测量钻孔轨迹实现。

（2）施工工艺

钻孔采用三次钻进成孔工艺。首先采用直径为120 mm的钻头定向钻进，每根钻杆，即3 m进行一次测量，分析钻孔轨迹，并及时进行修正，确保钻孔实际施工参数与设计相符；之后采用直径为165 mm的钻头进行扩孔；再后采用直径为203 mm的钻孔扩孔；最后采用直径为250 mm钻头扩孔，孔口的18 m作为封孔段。165 mm和203 mm钻头为特制钻头，在钻孔内具有导向功能，可沿既有钻孔轨迹进行扩孔作业。钻孔施工时，每钻进100 m后，采用洗孔液进行洗孔作业。钻孔封孔采用“两堵一注带压注浆”的工艺，封孔长度为16 m。

3 现场试验

3.1 钻孔施工情况

本次6个高位大直径钻孔自2020年4月19日开始施工，7月31日施工结束。1#孔位于煤层顶板上方23.6 m，终孔见煤，距离切眼平距10.35 m；2#孔位于煤层顶板上方22.7 m，终孔位于煤层顶板上方3 m，距离切眼平距31.2 m；3#孔位于煤层顶板上方26.1 m，终孔见煤，距离切眼平距20.88 m；4#孔位于煤层顶板上方24.6 m左右，终孔见煤，距离切眼平距5.93 m；5#孔位于煤层顶板上方约21 m，终孔见煤，距离切眼平距13.65 m；6#孔位于煤层顶板上方约36 m，终孔位于煤层顶板上方17.7 m，距离切眼平距3.43 m。钻孔钻进情况见表1。

表1 钻孔钻机情况统计表

3.2 抽采情况

E2306工作面于7月下旬开始回采，至11月12日，机头累计推进163.4 m，机尾推进165.8 m，最大日产量8 085.2 t，切眼配风量3220 m³/min，瓦斯总涌出量为26.5 m³/min（风排11.8 m³/min）。从8月17日至11月10日进行测量，抽采浓度最高为5.0%，平均2.98%；负压最高为17.68 kPa，平均12.06 kPa；混量最高为160.81 m³/min，平均95.05 m³/min；纯量最高为8.04 m³/min，平均3.40 m³/min；回风流瓦斯浓度最高为0.46%，平均0.26%；上隅角瓦斯浓度最高为0.52%，平均0.24%。11月12日，将E2306沿空留巷柔模埋管停止接抽，11月13日现场实测数据发现，大直径钻孔主管路负压提升至24.75 kPa，混量提升至239.90 m³/min，纯量为10.56 m³/min。由此可见高负压带来的混量提升明显。各钻孔瓦斯抽采情况见表2。

表2 高位大直径钻孔瓦斯抽采情况表

4 效果分析

为了分析高位大直径钻孔抽采效果，对E2305和E2307工作面高抽巷及E2306工作面高位大直径钻孔的瓦斯浓度、抽采混量、抽采纯量等三个参数进行了统计，见表3。

由表3中瓦斯浓度、抽采混量、抽采纯量三个参数对比可知：采用高抽巷抽采浓度在2.3%～3.1%，采用高位大直径钻孔抽采浓度能达到3.6%，明显高于高抽巷。两种方式抽采纯量相差不大，采用高位大直径钻孔其抽采混量相对较低。采用高位大直径钻孔替代高抽巷可达到理想的抽采效果。

表3 不同工作面瓦斯抽采效果对比表

5 结论

（1）结合工作面地质参数，确定了高位大直径钻孔布置参数，确定了一次定向、二次和三次扩孔的钻孔施工技术工艺，并采用“两堵一注带压注浆”的工艺进行钻孔封孔。

（2）将负压全部转移至高位大直径钻孔抽采，增大高位大直径钻孔的抽采负压后，大直径钻孔主管路负压提升至24.75 kPa，混量提升至239.90 m³/min，纯量为10.56 m³/min，高负压带来的混量提升明显。

（3）从瓦斯浓度、抽采混量、抽采纯量三方面，对高位大直径钻孔与高抽巷抽采情况进行对比分析，综合来看，采用高位大直径钻孔替代高抽巷可达到理想的抽采效果。