煤礦高位鉆孔瓦斯抽放技術的應用分析

摘 要：煤礦高位鉆孔瓦斯抽放是進行瓦斯抽放的重要技術手段之一，對于有效解決鄰近層與采空區的瓦斯抽放問題有著重要意義。為此，文章主要從高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件及合理層位的選擇入手，重點對影響高位鉆孔參數的主要因素進行了分析闡述，并切實提出了一系列針對高位鉆孔設計參數進行優化的策略，希望給行業相關人士一定的參考和借鑒。

關鍵詞：煤礦；高位鉆孔；瓦斯；抽放

引言

在對高位鉆孔抽采瓦斯參數進行優化的過程中，需要對上覆巖層中冒落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶（俗稱“豎三帶”）煤層的分布范圍進行精準劃分，特別是裂隙帶的分布范圍。隨著計算機和互聯網技術的不斷發展，數值模擬和相關的理論計算被廣泛應用到裂隙帶分布范圍的分析計算中，其與現場試驗一樣，具有重要的參考價值。

1 高位鉆孔采空區抽采技術原理

通過采場覆巖移動規律，我們可以將豎直方向上的覆巖移動破壞分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶等“三帶”，其中裂隙帶則可以具體分為微小斷裂帶、普通斷裂帶和嚴重斷裂帶三種情況。同時，其在水平方向上也會形成重新壓實區、離層區和煤壁支撐影響區等三個區域。在對煤層的開采過程中，覆巖離層及裂隙的分布情況會直接影響到瓦斯的流動，對于煤層的離層裂隙而言，其不僅為瓦斯集聚提供了一定場所，更為瓦斯流動提供了相應的通道。

所謂高位鉆孔指的是在風巷向煤層頂板進行的鉆孔工作，而運用高位鉆孔進行瓦斯抽放指的是將工作面回采采動壓力的離層裂隙作為瓦斯抽放的主要通道。在這種壓力的作用下，瓦斯就會順著裂隙流到巷道或者抽采鉆孔內，并運用抽采管路對其進行抽放。在具體操作過程中，尤其是高位鉆孔距離工作面還有一段距離時，可能會抽出濃度比較高的瓦斯，說明在煤壁支撐影響區內，其煤層頂板已經形成了離層裂隙的瓦斯通道。工作面煤壁瓦斯受到采動壓力的影響，可以解吸瓦斯，然后經由裂隙流入鉆孔，這就是高位鉆孔抽放的工作原理和重要作用。

2 高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件及合理層位選擇

2.1 適用條件

通過抽放采空區或者圍巖瓦斯的方式，高位鉆孔能夠對上鄰近層瓦斯向采空區運動時予以攔截，對回風流和上隅角瓦斯超限的問題予以處理。因此，其主要對采空區、上部圍巖以及鄰近層工作面比較適用，換句話說，采空區瓦斯超限問題是高位鉆孔瓦斯抽放技術解決的主要問題。

2.2 高位鉆孔合理層位選擇

高位鉆孔合理層位指的是抽放效果比較好、瓦斯來源廣泛且釋放比較活躍的區域。通常情況下，高位鉆孔抽放帶理論下限要比頂板冒落帶的高度要高，如果高位鉆孔施工層比冒落帶低，則需要與采空區進行直接溝通，這樣做的結果是鉆孔負壓較小、流量大，但卻有較低的瓦斯濃度。因此，下限通常位于煤層頂板的五到二十米范圍，而部分煤層較厚、瓦斯含量比較高的區域則需要放頂煤工作面，此時其下限也可以置于煤層中。對于絕大多數煤礦而言，高位鉆孔抽放帶的理論上限煤層頂板的距離通常要低于五十米。若將封孔效果因素排除在外，那么層位越高，就會出現濃度越高的瓦斯抽放，同時抽放的混合量也比較小。大量實踐證明，高位鉆孔抽放帶的理論前方界限應該位于工作面之前的幾米處，且理論后方界限應該位于工作面之后的幾十米處。

2.3 高位水平鉆場及鉆孔設計

2.3.1 確定鉆場層位

通常情況下，鉆場要進入煤層頂板過程中，鉆孔開孔高度不得低于0.5米，降低鉆孔施工傾角，有效提升鉆孔的利用效率。此外，在綜采面上風巷進行鉆場層位確定時，首先依據20°向上施工4米，然后轉入施工鉆機平臺，確保所有鉆場均進入煤層頂板，且保持抽放鉆孔與煤層頂板的距離要在5米以上。

2.3.2 確定鉆場間距

地質條件和鉆機性能對鉆場間距有著決定性影響，一旦鉆機有著較高的性能，且在優良地質條件下，則可以適當加長鉆場間距，但在實際操作過程中仍舊要留有相應的余地。

2.3.3 確定鉆孔數量

工作層面瓦斯涌出量以及抽放量對鉆孔數量有著直接影響，為此我們要對煤層工作面的單孔抽放情況進行觀測，一般直接91mm的鉆孔，其單孔平均抽放量需要保持在0.5～1.0m3/min之上。所以們運用直徑91mm的鉆孔且瓦斯的涌出量在20m3/min以上時，需要設置五個鉆孔，大大降低瓦斯涌出量。

2.3.4 確定鉆孔傾角

在對鉆孔傾角的確定過程中，需要謹遵盡可能增加鉆孔有效抽放長度的原則。通常情況下，鉆孔角度越小，其鉆孔控制層位也就越容易達到要求，那么其有效抽放長度也就相應加長。然而在實際操作過程中，為達到理想狀態，就必須不斷加大鉆場的施工壓力，給瓦斯管理、鉆場通風等方面工作帶來嚴重影響。

2.4 綜合防治技術

2.4.1 高位鉆孔瓦斯抽放

無論在走向上還是在垂向上，高位鉆孔抽采在理論上都存在著一定的界限。就走向角度而言，高位鉆孔能夠有效解決工作面后方幾十米范圍內的上隅角瓦斯超限問題。因此，高位鉆孔層位設計的關鍵問題就是對工作面后方有關覆巖裂隙分布特點加以確定。

2.4.2 立管抽放

為增強瓦斯抽放效率和抽放效果，可在回風巷內布設相應的立管，以便于對采空區的瓦斯進行抽放。如圖1所示，該區域運用的是雙立管交替埋管抽放的方式，將準219mm×30mm的鋼管埋入采空區達到20m時，可在第五節鋼管的工作面側設置一根帶有彎頭的立管，然后經由彎頭向遠離工作面方向繼續敷設準219mm鋼管，且長度不能低于30m。同時，為了增強立管瓦斯抽放的效果，每間隔一段距離還需要設置一道封堵墻，并在其中填充相應的卡弗尼，以提升密封效果。

3 影響高位鉆孔參數的主要因素分析

3.1 有效抽采裂隙帶高度

所謂的有效抽采裂隙帶高度指的是與高位鉆孔采空區的抽采技術相關的核心參數，其對工作面采高、工作面長度及推進度、煤層頂板巖性等有著直接影響。其中，煤層頂板巖性遇到堅硬巖層時，需要適當降低抽采裂隙帶高度；當工作面推進度較快時，需要適當降低抽采裂隙帶高度；當工作面長度較小時，需要依據實際情況降低抽采裂隙帶高度。有效抽采雷系帶的高度約為采高的十七倍。當煤層頂板較硬時，其高度也有所降低（W2404、S2711、W1E406）。而煤層比較薄的工作面有效抽采裂隙帶高度要比煤層比較厚的區域要低。

3.2 煤壁支撐影響區長度

作為采空區高位鉆孔技術的核心內容，煤壁支撐影響區距離受到煤層頂板巖性、工作面推進程度、工作面長度及傾角、仰采、俯采等眾多因素的影響。煤壁支撐影響區距離大概在三十米到四十五米之間，相比于有效抽采裂隙帶的高度而言，有著較大的變化空間。具體說來，主要表現為下面幾個方面：一是開采高度越低，其影響的區域就會越長；二是當頂板比較堅硬時，有著較長的影響區域；三是工作面推進距離較短時，有著較長的影響區域。通過對工作面煤壁支撐影響區距離的比較，可以快速、精準得出工作面的俯采，從而采取有效措施縮短工作面煤壁支撐影響區的距離。除此之外，當工作面的傾角處于較大位置時，也就是處于上行風時，將會較大幅度縮短回順煤壁支撐影響區距離，同時其高位鉆孔與回順之間的夾角也會相應縮小，對有效處理上隅角的瓦斯產生比較有利的影響。

3.3 高位鉆孔設計參數優化

通過相應的模擬結論可以得出，隨著煤礦工作面的不斷向前推進，其裂隙帶的高度也會不斷增加，加上正常回采期產生的裂隙帶與初采期產生的裂隙帶有著本質的區別，所以第一鉆場鉆孔的設計方案也與其他鉆孔的設計方案有著本質的區別。具體說來，主要表現為下面幾個方面：第一，第一鉆場需要在距離煤層頂板6-12米的巖層區域內科學布設鉆孔終孔層位；第二，第二鉆場及其他鉆場則需要在距離煤層頂板12-30米的巖層區域內布設高位鉆孔終孔層位；第三，第二、三鉆場上下二排鉆孔終孔走向的水平距離為20米，而第五鉆場的上下二排鉆孔以及第一、四鉆場終孔走向的水平距離為10米；第四，前一鉆場與后一鉆場的鉆孔保持一定的距離，使得其終孔位置始終處于工作面頂板破斷面的外部，為確保前后鉆場高濃度瓦斯抽放的連續性打下堅實的基礎。同時，為確保前后鉆場瓦斯抽放連續性效果，還需要對周期垮落步與采空區頂板破斷腳之間的距離進行精準計算，從而有效得出鉆場之間的鉆孔設計壓茬長度。

根據采動裂隙的“O”形圈理論，頂板高位鉆孔在傾向方向上的有效控制范圍與風巷的距離最大為40m，因此鉆孔的終孔位置與風巷中線的平距必須小于40m。綜合考慮工作面頂板在傾向及走向方向破斷角，通過合理計算得出，在鉆孔終孔與回風巷中線的平距為1-30m時抽放效果將最佳。同時，依據著名的采動裂隙“O”形圈定理，在傾向方向上，頂板高位鉆孔的有效控制范圍與風巷的最大距離不能超過40米，所以風巷中線與鉆孔終孔位置間距必須低于40米。總而言之，經過對各方面因素進行綜合考慮之后可以看出，回風巷中線與鉆孔終孔的間距需要保持在1-30米時，瓦斯抽放的效果才最好。

4 結束語

總而言之，在將高位鉆孔合理應用在于上隅角瓦斯抽放的過程中，通過對煤礦高位鉆孔參數的深入分析和研究，得出采空區工作面的瓦斯濃度一直保持在0.1%-0.5%之間，符合規定要求，且瓦斯的抽放率可以達到六成以上，取得了良好的抽放效果，為煤礦安全生產奠定了夯實基礎。

參考文獻

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