大直径钻孔瓦斯抽采技术在高瓦斯矿井中的应用

于艳飞 高建峰

（1.朔州市应急指挥中心，山西 朔州 036000；2.朔州市应急管理综合行政执法队，山西 朔州 036000）

1 工程概况

新村煤矿矿井设计生产能力120万t/a，主采3号煤层和8号煤层。其中3号煤层平均厚度6.18 m，8号煤层平均厚度3.25 m，煤层整体为倾斜～缓倾斜煤层，开采标高为+618～ +219 m。矿井首采区煤层为3号煤层，工作面采用综采大采高一次采全高采煤工艺，工作面切巷长180 m，采用U型通风方式，2103瓦斯治理巷采用局部通风机通风，通风方式如图1所示。在开采3号煤层期间，经测定矿井绝对瓦斯涌出量最大值为76.26 m³/min，相对瓦斯涌出量最大值为31.28 m³/t，属于高瓦斯矿井。

图1 2103工作面通风系统图

2 煤层瓦斯含量分布规律分析

根据对3号煤层选取不同的地点采取的煤样气体组成成分及瓦斯含量进行取样测试，测定结果见表1。

表1 煤层气体相关参数测定结果

根据对表1中3号煤层瓦斯含量取样测定结果数据及校正后的地勘钻孔煤层瓦斯含量数据分析，得出煤层瓦斯含量大小与煤层埋深之间有直接关系，两者之间关系图如图2。

图2 煤层瓦斯含量与煤层埋深之间关系散点图

通过对图2进行分析可知，煤层埋深越大，煤层中瓦斯含量越高，两者之间存在线性变化关系，可用下述公式表示：

W=0.024H+1.298 5 （1）

式中：W为煤层瓦斯含量，m³/t；H为煤层埋深，m。

式（1）中煤层瓦斯含量与埋深的相关系数为R2=0.879 8。根据矿井地质报告可知，3号煤层的最大埋藏深度为469 m，根据式（1）计算可得，3号煤层最大瓦斯含量值为12.55 m³/t。

3 3号煤层瓦斯抽采可行性分析

分析煤层瓦斯抽采的可行性，即是对煤层在原始透气性状态下，分析其在采取瓦斯预抽措施时抽采瓦斯的难易程度[1-2]。采用的主要分析方法是利用煤层的透气性系数（λ）和钻孔内抽采瓦斯流量的衰减系数（α）来进行分析衡量。

3.1 钻孔内瓦斯自然涌出特性

钻孔内的瓦斯自然涌出特性可以采用钻孔内的瓦斯在初始状态下涌出强度q0和瓦斯抽采流量衰减系数来进行衡量[1-4]。在不同抽采时间条件下对钻孔内瓦斯涌出量大小进行测量统计，利用式（2）进行线性回归计算，得出结果见表2。

表2 钻孔内瓦斯自然涌出特征测定计算统计结果

式中：qt为钻孔内瓦斯自然涌出时在时间t内瓦斯流量值，m³/min；q0为钻孔内瓦斯自然涌出时在时间t=0时瓦斯流量，m³/min；α为瓦斯抽采流量衰减系数，d-1；t为钻孔内瓦斯在自然状态下排出的时间，d。

采用微积分的方法对式（3）两边同时积分可以得出钻孔内的瓦斯在任意自然排放时间内排出的瓦斯量：

即：

3.2 煤层抽采可行性分析

根据对3号煤层钻孔内瓦斯涌出流量衰减系数进行测定计算分析可知，3号煤层内的瓦斯属于可预抽瓦斯的煤层。根据对3号煤层瓦斯地质预报进行分析预测，3号煤层I区内的工作面在回采期间绝对瓦斯涌出量约为31.02 m³/min。根据对周边矿井3号煤层工作面开采时瓦斯抽采难易程度进行对比分析得知，在开采3号煤层时，工作面仅靠本煤层预抽瓦斯不能够完全解决工作面回采期间瓦斯绝对涌出量超限问题，需在回采期间同时采取瓦斯治理措施，确保工作面安全回采。

4 以孔代巷抽采工作面瓦斯技术

为有效解决工作面上隅角和采空区瓦斯集中涌出量大，治理难度大问题，在邻近2103综采工作面的瓦斯治理巷内向2103工作面回风巷内每间隔一定距离施工一个大直径抽采钻孔，并在抽采钻孔内安装抽采管路，将其接入到工作面瓦斯抽采系统上，在2103工作面回采过程中到钻孔进入到上隅角采空区内后打开阀门对上隅角瓦斯进行抽采，通过改变工作面上隅角采空区内瓦斯流场，对工作面上隅角内的瓦斯真正实现低负压、大流量抽采，减少上隅角瓦斯积聚，确保工作面安全回采。

4.1 抽采装备配备

施工抽采钻孔的钻机选用中煤科工研发的ZDY12000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机，钻机作业运行时利用液压油缸旋转推动钻杆进行钻进施工大直径抽采钻孔。当钻孔钻进施工完成后，再利用钻机向钻孔内下护孔套管，然后对钻孔进行注浆封孔和联管抽放，完成钻孔抽采作业的整个工序。钻孔直径为280～880 mm，钻孔深度最大为100 m。钻杆钻头对接采用自动对接技术，钻机移动时采用履带进行自动挪移，减少人工搬迁，移动灵活，施工作业效率高，人员劳动强度低。

4.2 工作面以孔代巷施工方案

在2103工作面瓦斯治理巷设计施工大直径抽采钻孔对2103工作面煤层瓦斯进行预抽。结合本矿井原3号煤层已回采工作面顶板来压情况分析，预测2103工作面顶板初次来压步距为50 m，为此，将1#钻孔设计布置在距工作面切眼50 m位置，每2个钻孔为1组，2个钻孔之间的间距为5 m，每组相邻钻孔之间的间距为30 m，钻孔开孔位置距底板高度为1 m，钻孔直径为580 mm，垂直于2103工作面回风巷煤壁施工，仰角0°，钻孔深度为20 m。钻孔布置如图3。

图3 2103工作面大直径抽采钻孔布置示意图

钻孔施工到设计深度位置后将钻杆退出，在护孔管的第一节上安装一个护管尖头，将护孔管下入到钻孔内进行护孔，护孔管之间采用插接的方式进行连接，连接后使用螺栓进行固定防脱落。护孔管选用螺旋焊缝钢管材料加工，管径为458 mm，每根护孔管长0.8 m，钢管壁厚7 mm。向钻孔内下护孔管时，利用钻机自身配备的吊装装置将第一节护孔管沿钻孔施工方向缓慢推进钻孔内，根据钻孔施工角度调整护孔管进入钻孔内的角度，保证护孔管与钻孔始终处于同一直线方向。当护孔管安装完成后，对钻孔进行封孔，封孔作业结束后将护孔管与巷道内安装的抽采管路连接好后，利用抽采系统对煤层内的瓦斯进行抽采。抽采系统配备的主要附属装置还有瓦斯抽采浓度计量装置、放水器和排碴器等。

5 应用效果分析

矿井安装的低负压抽放泵站在正常工作时抽放总流量约为854 m³/min，工作面上隅角低负压抽放流量约为110 m³/min。为提高工作面大直径钻孔抽采瓦斯流量，保证瓦斯抽采效果，在对工作面采取大直径钻孔抽采瓦斯措施时，需将工作面上隅角埋管抽放管路进行关闭。

5.1 大直径钻孔瓦斯抽采浓度分析

为了检测大直径钻孔抽采瓦斯效果，在2103工作面瓦斯治理巷布置的抽采钻孔中随机选取5组钻孔进行检验，在工作面回采期间，每推进5 m对抽采管路中的抽采瓦斯的流量、浓度进行测量记录，将数据整理后绘制出如图4所示瓦斯浓度变化曲线图。

图4 2103工作面大直径抽采钻孔瓦斯抽采浓度变化情况

根据图4分析可知，大直径抽采钻孔抽采的瓦斯浓度随着工作面与抽采钻孔距离增大呈逐渐增大趋势，但当新钻孔开启后需占用一部分抽采负压，其后方抽采钻孔抽采的瓦斯浓度出现下降趋势，且后方的抽采钻孔抽采的瓦斯流量也呈现下降趋势。根据现场抽采数据分析得知，当工作面与抽采钻孔之间相距20 m时，瓦斯抽采浓度达到最大值。新开钻孔与其后方老钻孔抽采的瓦斯浓度均达到2%以上，新钻孔开启后，其后方的钻孔抽放的瓦斯大部分来自工作面现采空区内的瓦斯。因此，为提高瓦斯抽采效果，新钻孔开启后，及时将后方的钻孔关闭，保证新钻孔的抽采负压达到抽采要求，实现对工作面上隅角瓦斯的有效抽放。

5.2 大直径钻孔抽采与瓦斯浓度变化关系分析

工作面采用大直径钻孔抽采措施后，根据现场对工作面上隅角瓦斯浓度变化情况与抽采钻孔进入工作面采空区内距离进行监测记录，得到结果如图5。

图5 上隅角瓦斯浓度变化与钻孔抽采距离关系

由图5中分析可知，工作面上隅角的瓦斯浓度随着大直径钻孔位置进入工作面采空区内的距离增大而呈现逐渐增大趋势，在工作面位置与抽采钻孔之间的距离由20 m增大到30 m时，上隅角瓦斯浓度增幅最为显著。将新钻孔开启抽采瓦斯后，工作面上隅角瓦斯浓度出现大幅度减小现象，随着钻孔进入采空区内的距离增大，上隅角内的瓦斯浓度出现逐渐增大的趋势，它们之间变化关系存在着周期性变化规律。在采取大直径钻孔抽采工作面煤层瓦斯措施后，工作面回采期间上隅角瓦斯浓度一直处于0.15%～0.65%之间，工作面回风瓦斯一直处于0.1%～0.75%之间，瓦斯浓度最大值一般出现在新旧钻孔开启和关闭相互交替期间，工作面上隅角及回风瓦斯浓度在控制范围之内，工作面回采期间未发生过瓦斯超限事故。

6 结语

（1）综合考虑大直径钻孔瓦斯抽采效果、钻孔施工成本、矿井采掘接续情况，工作面每组相邻大直径抽采钻孔布置间距设计为30 m为宜。该间距不仅能够保证工作面瓦斯抽采效果，而且有利于钻孔的施工，减少施工成本，提高施工进度，保证矿井采掘接续正常。

（2）工作面切巷位置与抽采钻孔之间的距离保持在20 m左右抽采效果好，在开启新钻孔后，要及时将其后方的钻孔关闭，以确保新钻孔抽采效果。

（3）工作面采取大直径钻孔抽采工作面上隅角采空区瓦斯技术后，新旧钻孔内瓦斯抽采浓度均能达到2%以上，工作面达到了大流量、低负压抽采效果，工作面回采期间上隅角瓦斯浓度控制在0.15%～0.65%，回风瓦斯控制在0.1%～0.75%，回采期间未发生过瓦斯超限事故，实现了工作面安全高效开采。