高、低位钻孔法替代高抽巷实例分析

张德飞

 淮南矿业集团平安工程院公司铜川项目部

【摘要】 介绍了铜川矿区玉华煤矿2403综放工作面开展钻孔替代高抽巷技术试验情况，通过对顶板钻孔实际抽采效果的分析，证明了钻孔替代高抽巷的可行性、经济性和合理性。

【关键词】技术试验  高低位顶板走向钻孔  瓦斯抽放

Study on High Drilling of Gas Drainage in Yuhua Coal Mine in Tongchuan Mining Area as an Alternative to High Drain Lane and Its Example Analysis

Zhangdefei

Ping An Engineering Institute Tongchuan Project Department

[Abstract] This paper introduces the technical test of drilling alternative high pumping lane in 2403 comprehensive discharge face of yuhua coal mine in tongchuan mining area, and proves the feasibility, economy and rationality of drilling alternative high pumping lane through the analysis of actual extraction effect of top drilling.

[Technical] test high and low roof to drill gas discharge

一、研究背景

铜川矿业有限公司北区矿井综采或综放工作面瓦斯治理模式基本固定，均采取“低位岩石高抽巷” 抽采瓦斯措施，即在回顺内错10m位置煤层顶板以上8～10m位置施工一条高抽巷，利用高抽巷抽采瓦斯，可有效解决工作面上隅角的瓦斯超限难题。但是存在缺点，一是对于绝对瓦斯涌出量在20 m³/min左右的采煤工作面来说，采用低位岩石高抽巷治理瓦斯施工工期长、成本高、管理环节多；二是高抽巷抽采浓度基本上在2%～10%之间，高抽巷巷道也没有进行喷浆处理，安全隐患大。三是加剧矿井采掘接续紧张局面，同时增加了施工成本。

经平安煤矿瓦斯治理国家工程研究中心有限责任公司和铜川矿业公司的的多次研究，决定在玉华煤矿2403综放工作面里段120m开展“顶板走向钻孔替代高抽巷抽采瓦斯技术试验研究”。

二、研究目标

在安全的前提下，既能消除采煤工作面生产中的瓦斯隐患，又能减少采煤成本，从瓦斯“治得住”，实现到“治得快、治得省”的转变，为综放工作面瓦斯治理提供新的途径，彻底解决瓦斯治理工程带来的接替紧张问题，推动铜川矿业公司瓦斯治理技术水平上台阶。试验期间，实现玉华煤矿2403综放工作面风排瓦斯量小于5m³/min，上隅角和回风瓦斯符合规定。

三、技术研究难点分析

（一）准确预计回采工作面最大绝对瓦斯涌出量

对于单一煤层开采，无邻近层及围岩瓦斯涌出的工作面，可采用直接测定煤层瓦斯含量、压力等参数，根据工作面的的生产能力，通过计算得出最大绝对瓦斯涌出量。也可参考相邻工作面开采期间实际瓦斯涌出量，通过类比法得出得出工作面的绝对瓦斯涌出量。

（二）煤层顶板高浓度瓦斯富集区的确定

根据矿压基础理论，井下煤层开采后，其顶底板会产生变形，煤层顶板会产生冒落带、弯曲下沉带和裂隙带，而裂隙带是高浓度瓦斯的富集区，也是顶板走向钻孔的布置的主要层位。裂隙带的范围可通过工程力学考察确定，也可通过矿压理论予以初步确定，其位置一般为煤层采高的4～8倍。

四、试验工作面里段概况

2403综放工作面位于玉华煤矿二盘区中部东翼侧，该面是二盘区东翼第二个工作面。该面开采4-2#煤层，煤层平均厚度8m。根据矿井接续现状、井巷参数、煤层厚度及以往开采经验，仍选择走向长壁式开采方法和综采放顶煤回采工艺。设计走向长度1908m，可采走向长度1768m，倾斜长度240m。

2403工作面东侧为未采动区；西侧与2406综放工作面及胶带大巷等盘区生产系统相邻，南侧为未采动区，北部为2405工作面采空区（2015年回采完毕）。该面除西侧2406综放工作面，其余均为未开采区。

2403综放工作面外段设计采用“一面三巷”布置即运顺、回顺和低位高抽巷；低位高抽巷与回顺内错10m平行布置，布置在煤层顶板以上5～8m左右的岩层中，运顺、回顺均留1.0m底煤掘进。里段120m取消低位高抽巷，施工高位钻场布置顶板走向钻孔抽采瓦斯。

2403工作面开采前实测煤层原始瓦斯含量为4.27m³/t。掘进期间在回顺布置钻场（间距300m）施工采前顺层钻孔预抽本煤层瓦斯，钻孔呈扇形发射状布置。回采前实测工作面里段残余瓦斯含量3 m³/t。

五、试验工作面瓦斯涌出量预测

2403综放工作面回采期间瓦斯来源单一，主要来自本煤层。工作面回采期间涌出的瓦斯可分为四个方面：一是从采落煤炭涌出的瓦斯；二是放落煤炭涌出的瓦斯；三是工作面煤壁涌出的瓦斯；四是采空区遗煤涌出的瓦斯。

利用分源法计算和类比法（同翼综放工作面瓦斯涌出量情况）比对预计：2403综放工作面按日产量10000吨计算，最大绝对瓦斯涌出量为19.2 m³/min。

六、高、低位顶板走向钻孔抽采设计方案

（一）设计思路

2403高抽巷东段距切眼预留120m不掘，利用高抽巷停掘迎头，扩刷成顶板钻场，钻场规格：长3.5m、宽4.0m、高3.5m。在钻场内布置高、低位顶板钻孔抽采工作面裂隙带的高浓瓦斯和采空区的低浓瓦斯，同时辅以上隅角埋管抽采，解决工作面及上隅角的瓦斯治理。

（二）顶板走向钻孔设计参数

钻场内布置三排钻孔（2排低位孔，1排高位孔），每排7个，共21个孔（孔径133mm），钻孔孔深120m～135m。低位孔抽采采空区的低浓瓦斯，其中最下排孔与切眼打透，中间排低位孔终孔位置在煤层顶板以上10m处；最上面一排为高位孔，抽采裂隙带的高浓瓦斯，终孔层位布置在煤层顶板以上30m处。钻孔沿工作面倾向控制范围为工作面回顺采煤帮一下45m。钻孔层位设计原则按照冒落带高度一般为采高的3～5倍采高，裂隙带高度为采高的5～8倍。采高玉华矿没有实测“三带”高度，按照以下的经验公式进行计算确定。

冒落带的高度H冒按下式计算：H冒=100M/(6.2m+10)±2.5

裂隙带的高度H裂按下式计算：H裂=100M/(3.1m+6)±6.5

式中：M为工作面采高m。

   图1      顶板走向钻孔设计平面示意图

   图2       顶板走向钻孔剖面示意图

    （三）顶板钻孔抽采期间瓦斯抽采量设计

工作面最大绝对瓦斯涌出量为19.2m³/min，预计抽采率82%。其中，工作面配风量1500 m³/mi m³/min n，风排瓦斯量为3.5 m³/min，抽采瓦斯量15.7 m³/min。预计顶板走向钻孔抽采混合量80 m³/min，抽采浓度15%，抽采纯量12 m³/min；预计上隅角埋管抽采混合量100 m³/min，抽采浓度2.2%，抽采纯量2.2m³/min；顺层孔抽采混合量30 m³/min，抽采浓度5%，抽采纯量1.5m³/min。

（四）钻孔封孔及考察要求

1、施工及封孔要求

（1）严格按钻孔设计的参数施工。考虑采动的影响，须带压封孔；封孔深度10m，采用“两堵一注”工艺封孔。

（2）所有钻孔全程下护孔筛管。护孔筛管管径75mm，每根筛管打花眼不少于12个。

2、钻孔考察要求

（1）安排专人每天对顶板走向钻孔相关抽采参数进行一次检测，并将数据详细计入专用表格中。观测数据包括：单孔抽放混合流量、负压、瓦斯浓度、CO浓度及抽放总混合流量、负压、瓦斯浓度等。

（2）每天要详细测定、记录工作面的风量、瓦斯浓度，每班测定3次，据此计算工作面瓦斯涌出量。同时要记录回采进度、钻孔与煤层顶板间距、后落山、回风流瓦斯浓度变化情况；另外工作面初采及初采来压期间每班都要详细记录瓦斯变化情况。

七、顶板钻孔施工及抽采情况分析

（一）钻孔施工情况

完成顶板走向钻孔各项工作工期累计16天。下排孔施工未与切眼巷帮打透。初期采用人力推送的方式，导致部分钻孔下护孔筛管长度不足，后期利用钻机“抵管”的推送方式，确保了护孔筛管长度基本满足设计要求。另外，设备损坏频繁，施工现场循环水仓容量小且水质差及施工操作经验不足等因素影响，在一定程度上延长了施工工期。

（二）钻孔抽采情况

钻孔抽采期间，安排专人进行了抽采参数统计，管路内瓦斯抽采浓度变化情况如下图所示：

图3   顶板走向钻孔瓦斯抽采浓度变化曲线示意图

（三）抽采效果分析

2403综放工作面顶板走向钻孔抽采控制范围为切眼向外120m。根据钻孔抽采期间统计资料，对顶板钻孔抽采期效果分析大致可分为三个阶段：

1、第一阶段：工作面回采前20m。

工作面初采期间，煤壁支撑区内顶板受采动影响小，顶板未垮落、裂隙不发育，顶板钻孔仅利用顶板裂隙做为抽采瓦斯通道，影响了钻孔抽采效果，采空区大量瓦斯通过漏风涌向上落山及开采空间。工作面主要采用顺层孔抽采、上隅角埋管抽采及风排的瓦斯治理措施。期间矿方调整了上隅角埋管抽采力度，工作面生产期间回风流瓦斯浓度保持在0.5%左右，落山瓦斯浓度基本保持在0.7%左右。

2、第二阶段：20~90m段。

当工作面进入20~90m范围时，随着回采强度的增大并逐步开始了放煤，煤层顶板及时垮落，顶板走向钻孔抽采瓦斯纯量也大幅度上升，回风流及落山瓦斯浓度逐步降低。工作面生产期间，回风流瓦斯浓度保持在0.3%，落山瓦斯浓度保持在0.4%以下。

3、第三阶段：90~110m段。

随着顶板钻孔控制高度的降低及孔长的缩短，抽采瓦斯量略有降低。工作面生产期间，回风流瓦斯浓度保持在0.4%以下，落山瓦斯浓度保持在0.6%以下。

（四）钻孔层位分析

2403综放工作面顶板走向钻孔共设计3组钻孔（21个孔），其中两组低位钻孔，一组高位钻孔。两组低位孔抽采采空区的低浓瓦斯，其中最下面1组孔与切眼打透，中间一组终孔位置在煤层顶板向上10m处，最上面一组为高位孔抽采裂隙带的高浓瓦斯，终孔在煤层顶板向上30m位置。

根据单孔抽采计量统计结果，高位孔抽采效果最佳，中间排低位孔次之，下排孔相对最差。顶板钻孔抽采期间，高位孔瓦斯抽采浓度均保持在15%~35%之间；中间排钻孔抽采浓度处于9%~16%之间；下排孔抽采浓度处于1%~7%范围内。

分析认为采煤工作面采空区内覆岩的移动破坏，在竖直方向上通常划分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。裂隙带和冒落带是瓦斯积聚的空间之一，也是瓦斯流动的主要通道。在自然状态下，由于CH₄密度比空气小，会自然上浮，存在于采动裂隙内。顶板钻孔的终孔位置布置在冒落带以上的裂隙发育区内，又处于O型圈中上部，所以利用抽采泵负压动力对钻孔进行抽采，相当于在钻孔终端形成一个负压区，截断了瓦斯流向采煤工作面通道，改变了采空区流场分布，使大量的采空区瓦斯经钻孔进入抽采系统，减少采空区瓦斯向工作面上隅角的涌出，降低回采工作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度。

根据以上分析及2403顶板走向钻孔抽采计量统计，判定高位孔终孔位于煤层顶板向上30m处，处于5～8倍采高位置，基本属于顶板冒落带顶部或裂隙带中下部，所以抽采效果最佳。两排低位孔终孔位置处于顶板冒落带中下部，抽采效果相对弱之。

（五）瓦斯治理效果

2403工作面高低位顶板走向钻孔抽采期间，工作面处于初采初放阶段，工作面日推进度3~5m，平均日产量8000吨，绝对瓦斯涌出量10~18.5 m³/min，钻孔抽采瓦斯量与预测值基本相当。采用高低位顶板走向钻孔+落山埋管抽采的瓦斯治理方式有效的解决了工作面瓦斯涌出问题，较好的控制了落山及回风流瓦斯浓度。2403顶板走向钻孔抽采期间，工作面未发生瓦斯超限问题，确保了工作面安全、高效生产。

八、技术经济论证

（一）施工效率

完成顶板走向钻孔各项工作工期累计16天；按照矿井单月（30天）高抽巷掘进进尺（150m）计算，完成120m高抽巷掘进实际需24天。

（二）资金投入

目前矿井施工高抽巷单价为约8000元/m(含设备、材料、电费及人工成本等)，施工120m高抽巷共计所需资金约96万元。21个顶板走向钻孔合计长度2698m，单价为230元/m，资金55万元。

经济效益比对表      

综上所述，从施工效率及资金投入上看，采用钻孔替代高抽巷是合理、经济的。

九、结  论

2403综放工作面里段采用高、低位顶板走向钻孔替代高抽巷治理瓦斯获得了成功，证明顶板走向钻孔替代高抽巷治理方式在绝对瓦斯涌出量相对较小的工作面是可行的、经济的、有效的。

通过高低位钻孔替代岩石高抽巷的瓦斯治理技术研究，可少掘一条岩石巷道，缩短了工作面的准备时间，缓解了工作面接替紧张的局面，推进了瓦斯治理理念创新，提升了瓦斯治理技术，丰富了瓦斯治理手段。下一步在铜川矿区全面开展钻孔替代高抽巷技术试验可做好以下几项工作：

（一）加大本煤层瓦斯预抽力度，为顶板孔替代高抽巷打下坚实的基础。

（二）顶板钻场布置由现在的间距120m提高到200m左右，以减少钻场的施工量。

（三）钻场内的钻孔数，可以进行优化，由现在的21个调整至12~14个，进一步减少施工成本。

（四）钻孔终孔高度的确定。钻孔终孔层位可选择在采高的5～8倍处。

（五）钻孔封孔工艺由现在的“两堵一注”改进为用稠化膨胀封孔技术。

作者简介：

张德飞，男，38岁，2004年毕业于安徽理工大学，现供职于淮南矿业集团平安工程院公司铜川项目部，工程师。联系方式：手机13083079690。

参考文献：

许家林,钱鸣高;覆岩采动裂隙分布特征的研究[J];矿山压力与顶板管理;1997年Z1期

赵旭生,孙东玲;定向长钻孔综合抽放瓦斯方法[J];煤炭科学技术;2001年03期

钱鸣高,许家林;覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究[J];煤炭学报;1998年05期

俞启香,王凯,杨胜强;中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J];中国矿业大学学报;2000年01期