大孔徑走向鉆孔在煤層群(厚煤層)開采瓦斯治理技術中的研究與應用

石志泉

“u”型通風系統是煤礦井下回采工作面簡單而通用的系統，然而在高瓦斯礦井中上隅角瓦斯嚴重制約工作面安全生產。通過在回風順槽施工孔徑113mm高低位裂隙帶抽采鉆孔有效緩解上隅角瓦斯是傳統通用瓦斯治理手段，然而受地質區域、鉆具設備缺陷的制約導致抽采效果差異大，上隅角瓦斯頻繁處于臨界狀態。隨著鉆進設備的升級及抽采技術的發展，我們充分發揮大孔徑定向鉆機特性，引進大孔徑走向定向裂隙帶長鉆孔抽采技術，通過大流量抽采鉆孔改變上隅角瓦斯流場，最終解決上隅角瓦斯制約工作面安全生產的現狀。

一、礦井概況

某礦年生產能力為300萬t，采用斜井開拓，采用中央并列式通風，主要開采2#、10#煤層。目前礦井主要回采2#煤層位于+290m開采水平，平均厚度為6m，煤層傾角為3～6°。經測定，礦井絕對瓦斯涌出量為79.6m³/min，相對瓦斯涌出量為13.95m³/t，采煤工作面絕對瓦斯涌出量為19.58m³/min，掘進工作面絕對瓦斯涌出量為13.5m³/min。2#煤瓦斯基礎參數為表1所示。

二、應用背景

“u”通風的工作面中偽頂、直接頂隨工作面推進，在自重作用下垮落形成冒落區，上覆巖層中產生各種裂隙形成瓦斯運移通道，采空區在平面位置中顯示形成比較密實的“0”型圈，一旦進回風隅角頂板垮落滯后大面積懸頂，間接導致風流進入采空區將瓦斯帶出，同時鑒于瓦斯密度小易于頂板積聚，最終導致回風隅角瓦斯積聚，嚴重制約工作面安全高效生產。

已回采的2106工作面沿2#煤布置，工作面的平均傾角為5。走向長度為1160m、傾向長度為202m，采用一次采全高頂板全部垮落后退式采煤，采用“u”型通風方式，工作面配風量2625m³/min，采取以高位裂隙穿層抽采鉆孔為主、上隅角埋管為輔的方式治理上隅角瓦斯。然而在回采過程中受煤層賦存條件的差異，高低位鉆孔呈現出“鉆機定向功能差導致目標層位不精確”、“裂隙帶鉆孔有效抽采時間短導致抽采效率低下”等缺陷，上隅角瓦斯在0.7-1%之間波動，長時間處于臨界狀態。

三、大孔徑定向鉆孔抽采技術應用及結論

為克服高位裂隙鉆孑L缺陷，我們在2102工作面引進大孔徑定向鉆孔抽采技術，通過發揮該鉆孔精準抽采、滯后連續抽采的特性治理上隅角瓦斯。目前回采的2102工作面沿2#煤布置，工作面的平均傾角為7°走向長度為760m、傾向長度為205m，采用一次采全高頂板全部垮落后退式采煤，采用“u”型通風方式，工作面配風量2266m³/min，采取以高位裂隙走向長鉆孔為主、上隅角埋管為輔的方式瓦斯治理手段。2102工作面通風系統、鉆孔平面布置圖及參數如下：

隨著工作面推進，我們對定向鉆孔抽采數據進行收集，并統計如下：

1#孔：內錯膠帶45m，孔徑120mm，垂高48m布置在8倍采高位置，長度702m。根據工作面推進，對該孔抽采數據做了統計，平均瓦斯濃度21.6%，平均抽采負壓21KPa，平均抽采混合量3.3m³/min，平均抽采量0.7m³/min，抽采參數統計表及曲線如下：

2#孔：內錯膠帶30m，孔徑203mm，垂高48m布置在8倍采高位置，長度629m。根據工作面推進，對該孔抽采數據做了統計，平均瓦斯濃度20.3%，平均抽采負壓22KPa，平均抽采混合量4.5m³/min，平均抽采量0.93m³/min，抽采參數統計表及曲線如下：

3#孔：內錯膠帶20m，孔徑203mm，垂高42m布置在7倍采高位置，長度633m。根據工作面推進，對該孔抽采數據做了統計，平均瓦斯濃度14.7%，平均抽采負壓20KPa，平均抽采混合量10.2m³/min，平均抽采量1.4m³/min，抽采參數統計表及曲線如下：

4#孔：內錯膠帶38m，孔徑120mm，垂高60m布置在10倍采高位置，長度647m。根據工作面推進，對該孔抽采數據做了統計，平均瓦斯濃度39.2%，平均抽采負壓22KPa，平均抽采混合量12.4m³/min，平均抽采量4.8m³/min，抽采參數統計表及曲線如下：

同孔徑異層位數據對比：1、以1#與4#孔為例，4#孔平均抽采濃度為1#的1.81倍、抽采混合量3.76倍、抽采純量6.86倍：2、以2*與3#孔為例，3#孔平均抽采濃度為2#的0.72倍、抽采混合量2.27倍、抽采純量1.51倍。

同層位同負壓異孔徑數據對比：1、以1#與2#孔為例，同等負壓條件下2#孔平均抽采混合量為1#的1.36倍、抽采純量1.33倍：2、以1#與3#孔為例，同等負壓條件下3#孔平均抽采混合量為1#的3.1倍、抽采純量2倍。

結論：1、孔徑120mm鉆孔優先布置在10倍采高以上才能充分抽采裂隙帶“0”型圈內高濃瓦斯，孔徑203mm鉆孔優先布置在7倍采高有利于改變回風隅角側瓦斯流場，實現抽采效益最大化，最終上隅角、回風側瓦斯濃度處于安全狀態：2、同等負壓條件下203mm大孔徑抽采混合量是直徑120mm的抽采混合量1.36-3倍，因此通過提高抽采負壓，大直徑的鉆孔才能保證大流量的氣體，有利于改變回風隅角區域瓦斯流場，使上隅角瓦斯處于平穩安全狀態。

四、發展前景

縱觀目前全國高突礦井“u”型通風系統回采工作面通用瓦斯治理手段主要有高抽巷治理上隅角、相鄰巷道埋管治理上隅角、相鄰巷道大孔徑滯后煤柱孔治理上隅角，但是大孔徑走向定向長鉆孔抽采技術依據其精準定位、連續抽采、大流量、系統簡化、成本低廉、管理簡單、安全可靠的特性終將取代上述技術，也是礦井瓦斯治理技術發展的必經之路，同時該項技術可以克服封孔效果差的缺陷，保證瓦斯利用的濃度，符合國家“以抽促用、以用促抽”環保經濟效益。