五虎山煤礦高位鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化研究

摘 要：本論文以五虎山煤礦的瓦斯治理為研究對象，對16#煤層某綜采工作面高位鉆孔抽采參數(shù)進行優(yōu)化，提高瓦斯抽采效率，為類似煤礦的瓦斯治理研究提供了借鑒經(jīng)驗，確保煤礦安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高位鉆孔；瓦斯抽采；參數(shù)優(yōu)化

一、 前言

我國煤炭資源豐富，煤炭在我國一次性能源消耗結(jié)構(gòu)中所占的比例，長期以來保持在70%左右，2017年全國原煤產(chǎn)量約35億噸，接近世界的一半。

瓦斯是在煤礦生產(chǎn)過程中，從煤層、巖層內(nèi)涌出的以CH4為主的各種有毒有害氣體的總稱。瓦斯是無色、無味、無嗅、無毒的氣體，比空氣輕，對空氣的相對密度為0.554，瓦斯密度為0.716kg/m3，瓦斯的滲透性很強，不易溶于水，主要成分是甲烷，還含有少量乙烷、丙烷等其他烴類，另外還含有二氧化碳和稀有氣體。瓦斯主要以兩種狀態(tài)存在于煤體或圍巖中，一種叫游離狀態(tài)，一種叫吸附狀態(tài)。

隨著煤礦開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，煤礦開采深度不斷增大，煤層瓦斯含量亦逐漸增大，采掘工作面瓦斯涌出量越來越大。特別是大型綜采礦井，由于采掘工作面布置多、生產(chǎn)集中、采掘速度快，使采煤工作面經(jīng)常有大量瓦斯涌出并積聚，易引發(fā)瓦斯事故。積聚在采空區(qū)頂板裂隙帶的瓦斯量非常大，解決工作面采空區(qū)頂板裂隙帶瓦斯超限的一項重要措施就是高位鉆孔抽放瓦斯。在井下通風(fēng)壓力變化時采空區(qū)瓦斯容易流動到采煤工作面頂部上隅角，造成工作面上隅角瓦斯超限。進行高位鉆孔的抽放參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和試驗工作，可以有效解決這一問題。

二、 高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)原理

高位鉆孔瓦斯抽放就是以工作面頂板裂隙通道來抽放上隅角及工作面煤壁涌出的瓦斯，又稱頂板裂隙帶抽放。煤層隨工作面回采時，根據(jù)礦山壓力規(guī)律，在工作面垂直方向上形成冒落帶、裂隙帶和變曲下沉帶的采動壓力場（見圖1）。瓦斯在裂隙帶釋放并流動。通過高位鉆孔瓦斯抽放本煤層釋放的大量瓦斯。

三、 五虎山煤礦16#煤層冒落帶和裂隙帶的估算

高位鉆孔瓦斯抽放時，為了比較準(zhǔn)確地確定瓦斯抽放鉆孔層位，提高瓦斯抽放效果，高位鉆孔最終孔位位于裂隙帶下部1/3內(nèi)，因此需要確定16#煤層冒落帶和裂隙帶的高度。五虎山煤礦16#煤層冒落帶和裂隙帶的高度按下式進行估算：

（一） 冒落帶高度：

（二） 裂隙帶高度

四、 目前工作面瓦斯抽采高位鉆孔布置方法

在開采煤層群條件下，鄰近層、煤柱和工作面的丟煤都會向采空區(qū)涌出瓦斯。鄰近層瓦斯在開采過程中和采完密閉后都向工作面有瓦斯涌出。與本煤層預(yù)抽瓦斯相比，鄰近層抽采的特點是抽采量較大，但瓦斯抽采濃度相對較低，其瓦斯抽采量的大小取決于鄰近層瓦斯涌出量的大小。工作面在開采過程中主要的鄰近層瓦斯涌出為15#煤層瓦斯涌出。通過抽采負壓作用可以有效解決工作面采空區(qū)瓦斯涌出引起的上隅角瓦斯超限的問題。具體抽采方法：以回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷作為高位鉆場，抽放方向與回風(fēng)順槽平行，沿煤層走向抽放，每個鉆場布置5個鉆孔。第一個鉆孔距回風(fēng)順槽下幫4米布置，其他鉆孔間距8米。

五、 工作面高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化研究

（一） 工作面高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化試驗鉆孔的布置

本次試驗共進行了兩個鉆場十個鉆孔，兩個鉆場間隔20m左右。

Ⅰ 鉆場設(shè)計五個高位鉆孔，以回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷作為高位鉆場，抽放半徑平行回風(fēng)順槽下幫40m位置，鉆孔長度400m，第一個鉆孔距回風(fēng)順槽下幫4m布置，其他鉆孔間距8m。分兩層布置，終孔布置為7m層位和12m層位，兩層在平面內(nèi)錯布置。

封孔工藝：鉆孔采用聚氨脂封孔，封孔深度6m，封孔段長度2m，孔口用水泥砂漿固孔。封孔管為直徑Φ50mm阻燃抗靜電塑料管，再用Φ65mm的鋼絲骨架膠管連接到抽放支管上，最后到達地面泵房。

鉆孔布置圖見圖2。

（二） 高位抽放鉆場鉆孔參數(shù)優(yōu)化

Ⅱ鉆場設(shè)計根據(jù)Ⅰ鉆場的試驗結(jié)果，對鉆孔參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，同樣施工了五個鉆孔（分別為主孔、2-1～2-4孔）。開孔直徑153mm，終孔直徑96mm，開孔方位140.3度。封孔管采用內(nèi)徑Φ102mm，2米長防靜電阻燃PVC管4根進行插接，封孔長度為10m。分三層布置，終孔布置為8 m層位、12m層位和15m層位，三層在平面內(nèi)錯布置。

（三） 高位抽放試驗效果考察

為考察高位抽放試驗效果，進行了為期約60天的連續(xù)觀測，結(jié)果見表1

六、 結(jié)論

經(jīng)過高位鉆孔抽放瓦斯試驗后，兩個鉆場瓦斯抽放效率不同，其中Ⅱ鉆場進行了參數(shù)優(yōu)化，抽放效率明顯高于Ⅰ鉆場，Ⅱ鉆場抽放試驗期間基本杜絕了瓦斯超限和積聚現(xiàn)象，對防止上隅角瓦斯超限效果尤為明顯。究其原因，主要有以下兩點：

（一） Ⅱ鉆場鉆孔終孔位置布置層位比較合理，終孔位置處于8-15m之間，最終孔位正位于裂隙帶下部1/3內(nèi)，能夠比較有效地抽采采空區(qū)和鄰近層瓦斯，抽采效率高；而抽采鉆孔處于Ⅰ鉆場時，由于其終孔位置處于7-12m之間，鉆孔層位較低，抽采效率較差。

（二） Ⅱ鉆場鉆孔封孔長度較長，封孔技術(shù)較為先進，提高了抽采效率。

參考文獻：

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作者簡介：孫有明，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市，烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系。