大直径钻孔煤柱穿管抽放采空区瓦斯技术研究

李 凯，李生舟

（1.韩城矿业有限公司桑树坪二号井，韩城715400；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

0 引言

随着工作面回采强度增加，工作面瓦斯涌出日益成为困扰安全生产的难题。对于综放工作面由于采空区遗煤较多，瓦斯涌出较大；对于煤层群开采工作面，即使采取拦截抽采措施，依然有部分邻近煤层卸压瓦斯涌入采空区，必须采取有效采空区瓦斯抽采措施预防上隅角瓦斯超限[1～7]。桑树坪二号井属于煤与瓦斯突出矿井，工作面采用自然垮落法管理采空区顶板，如采空区顶板无法随工作面推进及时垮落，易造成采空区漏风较大，采空区积聚瓦斯得不到有效抽采，将随风流涌入工作面积聚在采面上隅角，严重时发生瓦斯超限事故。目前采面回采期间，上隅角瓦斯治理采用在相邻的2个回风巷之间施工联络巷，建筑隔爆闭墙压管进行抽放，具有较好的抽采效果，但造成通向采空区的闭墙较多，工作面回采过后造成密闭墙漏风，给后期通风管理带来很大困难。

针对此类情况，如果能直接在相邻的回风巷煤柱施工大直径钻孔，通过钻孔穿管进行抽放，不再施工联巷，不仅解决了上隅角瓦斯问题，同时不施工联巷也解决了后期闭墙维护及容易漏风的问题，节省了联巷施工的费用。

但是目前矿井所使用的钻头最大为ϕ133 mm，不能实现ϕ450 mm孔径的钻进工作，也无穿管抽采采空区的成熟经验，因此必须研制大直径施工钻头，并探索“以孔代巷”穿管抽放采空区的工艺方法。

1 大直径钻头设计

为解决ϕ450 mm孔径水平钻孔的施工工作，采用ϕ325 mm法兰盘、废旧钻头以及报废的钢制管路变径加工大直径钻头，此钻头由3部分组成，前部采用采用ϕ94 mm钻头作为导向钻头，后部采用法兰盘、钢管变径以及合金钢作为切削部，中部采用废旧钻杆及角铁固定作为钻杆连接部，法兰盘增加去缺口钻屑可以方便排出，此钻头可以实现ϕ450 mm孔径钻孔的施工工作，钻头如图1所示。

图1 ϕ450mm孔径钻头设计图

2 大直径钻孔施工工艺及抽采方法

2.1 大直径钻孔钻孔施工工艺

根据矿井历史上工作面回采期间上隅角瓦斯抽采情况，确定大直径钻施工工艺流程如下：

①1）钻孔开口位置距离顶板约0.5m，见图2。

图2 ϕ450 mm大直径钻孔开孔示意图

2）施工采用ZDY3500LP履带式钻机，首先采用ϕ133 mm钻头施工穿过煤柱。

3）换ϕ450 mm钻头，将钻孔扩至ϕ450 mm，由于扩孔孔径较大，钻孔施工速度应降低，采用压风排渣，钻孔施工完毕后应将钻孔内煤渣清理干净。

4）由于巷道宽度有限，为方便抽采管路穿过煤柱，加工3个ϕ325 mm抽放管短接，分别为4、4、3 m，将管路采用法兰盘连接送入孔内，巷道两侧分别露头0.5 m，管路连接过程中，应确保螺丝及胶垫安装齐全。采用两堵一注封孔工艺进行封堵，见图3。

图3 ϕ450 mm大直径钻孔布置封堵示意图

5）根据工作面回采，适时并入采用采空区低负压抽采系统进行抽放。

2.2 煤柱穿管抽采采空区方法

常规的联络巷压管抽采是巷道准备阶段，在相邻2条巷道之间每隔50 m施工一段联络巷，相邻巷道提前施工的联络巷采用普通密闭隔断；后期待工作面回采至附近后，拆除普通密闭墙，压管并砌筑防爆密闭墙后进行采空区瓦斯抽采，如图4（a）所示。

工作面的煤柱穿管可以提前施工并封孔完毕，连接至抽采管路中，待工作面回采过穿管位置并砌筑好袋子墙密闭后，联通大直径穿管开始抽采采空区瓦斯如图4（b）所示。

图4 常规压管抽采和煤柱穿管抽采方案对比

3 大直径钻孔煤柱穿管抽放效果

3.1 工作面上隅角治理效果

以桑树坪二号井3304工作面为试验，前期采用常规联络巷压管抽采采空区瓦斯，后期采用大直径钻孔煤柱穿管抽采采空区瓦斯，对这2种抽采方式下工作面上隅角瓦斯浓度进行了考察，工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线如图5所示。采用常规联络巷压管抽采采空区瓦斯期间，工作面上隅角瓦斯浓度一般在0.40%～0.76%，平均约在0.6%。工作面回采至大直径钻孔煤柱穿管抽采采空区瓦斯段，上隅角瓦斯浓度有了明显下降，在日产量无较大变化情况下，上隅角瓦斯浓度一般在0.30%～0.40%，平均约在0.35%，且低负压抽采管路中的瓦斯浓度和流量均有增高，表明大直径钻孔煤柱穿管抽采采空区瓦斯效果较好。

图5 3304工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线

3304工作面采用大直径钻孔煤柱穿管进行采空区瓦斯抽采，省去了采面1、2号回风巷之间联巷以及防爆闭墙的施工，同时未出现3303采面回采后闭墙因来压造成的闭墙漏风、泄漏瓦斯等现象。同时解决了工作面初采初放期间顶板垮落问题，杜绝上隅角瓦斯超限，保障矿井安全高效开采。该技术施工难度低，安全隐患少，具有广阔的推广应用前景。

3.2 煤柱穿管抽采效益分析

以3304工作面条件进行效益分析，工作面长800余m，若采用联巷埋管抽采，每隔50m施工1个联巷，共计需施工16个联巷，每个联巷施工一组5m厚的隔爆闭墙压管进行采空区抽放。若采用煤柱穿管抽采，每100m施工1个大直径钻孔进行穿管抽放，共需施工钻孔9个。

1）联巷压管抽采费用估算。3304采面共计需施工16个联巷，共计掘进进尺160m，联巷的掘进费用约128万元。每个联巷贯通后施工两道普通闭墙，每道墙施工共需材料及人工费用4.2万元，施工普通闭墙共计需要134.4万元。联管抽采前，需要建立隔爆闭墙，每组隔爆闭墙共计材料及人工费用10.4万元，工作面共计需要166.4万元，综上总费用428.8万元。

2）煤柱穿管抽采费用估算。大直径钻头加工材料费用0.45万元。每个大直径钻孔封孔材料费用15 500元，则封孔材料费用为13.95万元。按照每6个小班施工一个大直径钻孔，每班用工4人，包括移钻、钻孔封孔、清理钻屑、下管连孔抽放等工作，人工单价按照208元/工·小班计算，9个大直径钻孔施工需要人工费用为4.5万元。

综上所述3304采面施工大直径钻孔煤柱穿管进行抽放，共计产生工程费用18.9万元，相较于联络巷压管抽采节省409.9万元。

该技术在治理工作面上隅角瓦斯超限方面效果显著，节省了联巷和密闭墙施工、维护的人力、物力、财力，使用价值很强，达到了安全、经济、有效的目标，形成了新的瓦斯治理范例，为相似条件的工作面瓦斯治理提供科学依据和实用技术手段。

4 结论

研制的大直径钻头装置加工简单方便，节省材料，适用于水平煤层大直径钻孔的施工工作，钻孔成型效果好。适用于多种钻机，安装方便，节约时间，维修量小，可反复使用。已在矿井进行了使用，有效的实现了相邻回风巷煤柱钻孔施工。

大直径钻孔煤柱穿管“以孔代巷”抽放技术研究解决了矿井联巷压管抽采过程中出现的诸多弊端。该代替了原来的联巷施工隔爆闭压管抽放技术，节省了联巷施工及隔爆闭施工等工序，同时解决了回采后期的闭墙漏风问题，工作面上隅角瓦斯浓度降低了约0.25%，起到了较好的瓦斯治理效果。