地面钻孔在采煤工作面顶板裂隙瓦斯抽采中应用研究

摘要：现阶段，地面钻孔技术在煤矿开采过程中的应用十分常见。在该技术的支持下，矿井内部的瓦斯浓度得到显著降低。这不仅可以规避瓦斯爆炸等事故的发生，还能为井下人员的安全提供保障。由此，本文对地面钻孔在采煤工作面顶板裂隙瓦斯抽采中应用进行研究，通过对钻孔参数进行分析、设计，提出了相应的设计规格，以充分发挥地面钻孔技术的效用。

关键词：地面钻孔;顶板裂隙;瓦斯抽采

1 地面钻孔参数研究

1.1 地面钻孔的空间位置

在实际的采矿过程中，受工作面采动的影响，矿井内部的上覆岩层会发生下沉、变形等现象，导致工作面覆岩水能够产生了较多的裂缝。在这些裂缝的作用下，煤层透气性被提高，为瓦斯在矿井内部的流通提供了便利，煤岩体对瓦斯的解析能力也得到了强化，有助于提升其排放效果。此时，若工作人员选择在地面进行钻孔，则必然会取得良好的排放效果[1]。其中，钱鸣高院士等人在当前的研究基础上提出了采动裂隙“O”圈概念。从其主要内容可得，在初采阶段，矿井内部的覆岩现象在顶板中部相对明显，这也使得该区域具有较为明显离层裂隙效果，煤层渗透率也较强，相应的上覆煤岩层的膨胀效果也最大。另外，当矿井覆岩中部的最大下沉系数为2.7～2.8之间时，其矿面采高为3.1m，且上部岩层未压实厚度为。在这种情况下，施工人员需在顶板工作面中部设置钻孔。

1.2地面钻孔的特点，

首先，地面钻孔的孔径较大，这一特点的存在使得其在过程中需要承受较大的负压，进而使得单孔瓦斯抽采浓度较高，最高可达95%左右。同時，地面钻孔方式的应用还可以保障瓦斯抽采的稳定性[2]。从实际效果来看，单孔最大的纯瓦斯抽采量可达到。其次，当钻孔传入煤岩层时，其内部孔径可达到150mm左右。此时，由于钻孔内部有套管及筛管的保护，使得技术人员在通过钻孔抽取瓦斯时，可以为瓦斯的排放营造更加通畅的渠道，有助于实现地面钻孔度工作面采空区的长时间抽采。最后，地面钻孔的成本较低，且开孔位置处于地面，使得其操作流程相对简便，还不会对矿井工作面的回采工作造成影响。

2 地面钻孔参数设计

2.1 选择钻孔层位

由于采煤工作面顶板裂隙很难被直接检测，因此，工作人员往往会按照顶板覆岩破坏规律，采用已有的经验公式，对采煤工作面顶板进行分析，从而使裂隙及钻孔位置得到确定[3]。如对缓倾斜煤层进行测量时，若其覆岩结构为硬岩、软岩组成的混合岩，则采用如下公式进行计算：

其中，m为矿层开采厚度。对采煤区，其工作面灯板上部裂隙带高度按照下表公式进行计算。其中，根据目标矿井的实际赋存情况与地质条件，可得出工作面采高约4m左右，煤层倾角的平均值为8°。

另外，煤层上覆岩层大多以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩等材料构成，属于中硬岩性代入使得将相关参数值带入公式后可得：采煤区上覆岩层的冒落带高度顶部为11.4m，裂隙带高度顶部范围在12.8～41.8m之间。在这种情况下，施工人员应当将钻孔设置在裂隙带的中线位置，这样才能取得最佳的开孔效果，其层位的计算可通过如下公式进行计算

由此，通过将参数带入上述公式可得，将钻孔终孔的位置布置在具开采面层顶板27m左右的位置，能够取得良好的抽采成效。

2.2 钻孔参数设计

根据上述分析，在矿井采煤工作面顶板裂隙处，瓦斯的流动效果最佳，这使得工作人员常常将钻孔布置在此处。具体而言，当对工作面长度为200m。顺槽设计长度1390m的矿井进行钻孔操作时，应先在其工作面上布置4个钻孔，钻孔间保持330m的距离，且将抽放半径保持在100～200m左右。另外，为防止抽放盲区的发生，需将钻孔间距控制在钻孔直径以下。

2.3 对钻孔直径的选择

对瓦斯抽采环节而言，钻孔直径对其抽采效率有着直接联系。且从相关研究结果可以看出，瓦斯气体主要以渗透及扩散两种形式在裂隙中发生流动，并会根据缝隙的大小体现出不同的形式。同时，钻孔时产生的次生应力还会导致钻孔周边的岩体发生变形，进而使其透气系数发生变化。为此，技术人员可先通过下述公式完成对钻孔周围泄压半径的计算。

其中，fr为岩体的摩擦因数，σ0为打钻前的岩体应力;σc是岩体单轴抗压强度，r0为钻孔半径。而Kp则由公式计算得来。

从该公式中可以看出，泄压半径与岩体强度成反比，与钻孔直径成正比，这使得泄压半径越大，瓦斯的流动性就越强，对其的抽采工作也就能取得更加明显的成效。我国研究院通过对薛湖煤矿二煤层进行了数值仿真，在保证瓦斯压力、抽采负压及煤层渗透系数等数值不变的情况下，分别对直径为80 、100、120mm的抽采孔进行分析，最后得出120mm抽采空的抽采流量最高，可达到0.45m³/min。由此，随着定向钻孔直径的不断增大，抽采孔壁与瓦斯气体的接触面积增大，有助于瓦斯抽采能力的提高。因此，为取得良好的抽采效果，当前的矿业单位大多采用大孔径、多孔道的方式完成地面钻孔作业，以实现瓦斯抽取的顺利进行。但从岩土力学的角度来看，钻孔直径过大很容易引发坍塌现象，进而给企业带来经济损失。

3 结束语

为减少瓦斯爆炸事故的发生，矿产单位需要做好对矿井内部瓦斯气体的排放处理，从而降低矿井的瓦斯浓度，最大限度规避爆炸事故的发生。由此，本文对地面钻孔在采煤工作面顶板裂隙瓦斯抽采中应用进行研究，通过对地面钻孔参数设计进行研究，制定了钻孔直径、位置的选择方式。这不仅有助于提高对地面钻孔的施工效果，还能充分发挥地面钻孔技术的效用。

参考文献：

[1]李明生，刘玉亮. 厚煤层开采地面垂直钻孔抽采瓦斯技术研究[J]. 煤炭技术，2020，39（11）：100-101.

[2]王耀锋. 中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望[J]. 煤矿安全，2020，51（10）：67-77.

[3]张博. 采动裂隙带地面L型钻孔遇岩层位数值模拟[J]. 山西焦煤科技，2020，44（05）：4-7+13.

作者简介：房晓溪（1982.07～），男，汉，安徽淮北人，本科，工作方向：土木工程。