大直徑穿透鉆孔抽采瓦斯工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

原鵬程

（山西省晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048000）

引言

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦為煤與瓦斯突出礦井，回采工作面采用“兩進(jìn)一回”U 型通風(fēng)方式，主要通過“專用抽排系統(tǒng)+定向高位鉆孔”這一瓦斯治理模式實(shí)現(xiàn)對工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯治理。目前回采工作面順槽巷道橫川距離一般為70～100 m左右，現(xiàn)有的瓦斯治理模式能夠滿足工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯治理需要。但橫川距離加長后，隨著工作面推進(jìn)，距離接抽閉墻越來越遠(yuǎn)時(shí)，會存在上隅角風(fēng)流反向造成瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，在長距離橫川之間施工Φ450 mm 大直徑穿透鉆孔，孔內(nèi)全程嵌套式埋設(shè)Φ377 m×1 m 鐵管，取代傳統(tǒng)閉墻埋管抽采，對工作面采空區(qū)及上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，以保障工作面回采期間的瓦斯安全。

1 寺河礦基本情況

1.1 礦井基本情況

寺河礦是國家“九五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。礦井位于沁水煤田東南邊緣，工業(yè)場地位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)殷莊村。礦區(qū)西側(cè)緊鄰侯月鐵路，距候月鐵路嘉峰車站1 km，距陽城電廠20 余千米，并有鐵路專用線直接相連。礦井井田面積161.085 8 km2，證載范圍內(nèi)保有儲量為998.9 Mt,可采儲量為544.3 Mt，采用“一礦兩井”生產(chǎn)模式，公告生產(chǎn)能力東井500 萬t/年，西井400 萬t/年。礦井于1996 年12 月30 日開工建設(shè)，2002 年11 月8 日通過國家驗(yàn)收正式投產(chǎn)，2008年改擴(kuò)建（二期）工程開工建設(shè)，2013 年通過竣工驗(yàn)收。目前開采的3 號煤層煤種為低硫、低灰、低磷、高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)無煙煤。

礦井采煤方法為綜合機(jī)械化大采高綜采工藝，掘進(jìn)主要采用連采和連掘施工工藝。

1.2 煤層瓦斯賦存、瓦斯涌出及基本參數(shù)情況

寺河井田含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組，含煤15 層，煤層平均總厚度為14.67m。目前開采3 號煤層，平均煤厚6.0 m，煤層傾角0°～10°，一般5°左右。

礦井分為東、西兩個(gè)井區(qū)，均為煤與瓦斯突出礦井，2020 年瓦斯涌出量測定結(jié)果為：東井絕對瓦斯涌出量1 117.06 m3/min（其中風(fēng)排量119.5 m3/min，瓦斯抽采量997.56 m3/min），相對瓦斯涌出量95.82 m3/t，瓦斯抽采率89.30%；西井絕對瓦斯涌出量602.47 m3/min（其中風(fēng)排量91.26 m3/min，井下瓦斯抽采量511.21 m3/min），相對瓦斯涌出量66.41 m3/t，瓦斯抽采率84.85%。

寺河礦東、西井3 號煤層自燃傾向性為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。東、西井3 號煤層瓦斯基本參數(shù)測定結(jié)果如表1、下頁表2 所示。

表1 東井3 號煤層瓦斯基本參數(shù)測定結(jié)果

表2 西井3 號煤層瓦斯基本參數(shù)測定結(jié)果

2 回采工作面瓦斯治理模式簡介

寺河煤礦目前回采工作面采用“兩進(jìn)一回”U 型通風(fēng)方式，主要通過“專用抽排系統(tǒng)+定向高位鉆孔”這一瓦斯治理模式實(shí)現(xiàn)對工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯治理。瓦斯治理模式示意圖如下圖1 所示。

圖1 “U”型通風(fēng)方式下瓦斯治理模式示意圖

1）專用抽排系統(tǒng)。工作面初采前，在回風(fēng)巷布置一趟Φ711 mm 專用抽排管路，每個(gè)聯(lián)絡(luò)橫川留有711/377 三通與閉墻上PE400 管連通，在工作面推過聯(lián)絡(luò)橫川后將橫川封閉，并開啟負(fù)壓對采空區(qū)進(jìn)行抽采。隨著工作面逐步向前推進(jìn)，始終保持開路橫川以里就近的3 個(gè)閉墻分別以90°、60°、30°開啟，之后的閉墻接入低負(fù)壓采空區(qū)系統(tǒng)抽采。閉墻連接及開啟示意圖如下圖2 所示。

圖2 閉墻連接及開啟示意圖

2）定向高位鉆孔。在采面進(jìn)風(fēng)順槽巷道橫川內(nèi)使用定向鉆機(jī)向采空區(qū)裂隙帶（6～8 倍采高層位）提前施工定向高位鉆孔，每組4 個(gè)，孔深400～450 m，終孔位置布置在采面順槽以里20～50 m 范圍，使用Φ193 mm 鐵管封孔至煤矸結(jié)合處以里3 m 位置。

目前寺河礦回采工作面橫川距離一般為70～100 m 左右，現(xiàn)有的“抽排系統(tǒng)+定向高位鉆孔”瓦斯治理模式能夠滿足工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯治理需要。但橫川距離加長后，隨著工作面推進(jìn)，距離第一個(gè)接抽閉墻越來越遠(yuǎn)時(shí)，會存在上隅角風(fēng)流反向造成瓦斯超限的風(fēng)險(xiǎn)。為解決這一問題，嘗試在長橫川之間施工Φ450 mm 大直徑穿透孔來取代閉墻埋管抽采，以實(shí)現(xiàn)對工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯的低成本高效率治理。

3 大直徑穿透鉆孔施工工藝

3.1 施工設(shè)備及工藝流程

鉆機(jī)為ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機(jī)（見圖3）。

圖3 ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機(jī)

施工工藝流程：使用Φ73 mm 鉆桿配套Φ94 mm 鉆頭將先導(dǎo)孔施工到位→Φ73 mm 鉆桿配套Φ113 mm 鉆頭擴(kuò)孔→Φ73 mm 鉆桿配套Φ153 mm鉆頭擴(kuò)孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ200 mm 鉆頭擴(kuò)孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ250 mm 鉆頭擴(kuò)孔→Φ89 mm 鉆桿配套Φ350 mm 鉆頭擴(kuò)孔→Φ400 mm 鉆桿配套Φ450 mm 鉆頭擴(kuò)孔。

封孔方式：孔內(nèi)全程嵌套式埋設(shè)Φ377 mm×1 m鐵管，并在管路內(nèi)安設(shè)三角金屬骨架，以增強(qiáng)管路的抗壓強(qiáng)度。鐵管與鉆孔之間環(huán)空使用水泥注漿封堵嚴(yán)密。為切斷流向采空區(qū)的雜散電流，孔內(nèi)兩端使用PE400 管，同時(shí)在與金屬管路連接處安裝接地極。

大直徑穿透鉆孔通過Φ377 mm 管與回采工作面Φ711 mm 專用抽排管路連通，實(shí)現(xiàn)對工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯的治理。

3.2 施工工藝改進(jìn)

初始的大直徑穿透鉆孔施工工藝較為繁瑣，除先導(dǎo)孔施工外還需6 次擴(kuò)孔方能達(dá)到要求，耗費(fèi)較大的人力物力，單個(gè)鉆孔施工工期在7 d 以上。對施工設(shè)備和工藝流程進(jìn)行分析梳理后，提出了更優(yōu)的解決方案：鉆機(jī)為ZDY-6000L 全液壓坑道鉆機(jī)；鉆桿為Φ89 mm 無縫鋼管鉆桿；鉆頭為Φ113 mm、Φ250 mm 合金鋼鉆頭和定制的Φ450 mm 反拉鉆頭（見下頁圖4）。

圖4 Φ450mm 反拉鉆頭

施工工藝流程：使用Φ89 mm 鉆桿配套Φ113 mm 鉆頭將先導(dǎo)孔施工到位→Φ89 mm 鉆桿配套Φ250 mm 鉆頭擴(kuò)孔→Φ250 mm 鉆頭擴(kuò)孔到位后，不退鉆桿，直接更換Φ450 mm 反拉鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。

使用定制的Φ450 mm 反拉鉆頭施工，將擴(kuò)孔次數(shù)由原來的6 次縮減為2 次，單個(gè)鉆孔施工工期由7 d 以上縮短為3 d 以內(nèi)，大大提高了大直徑穿透鉆孔的施工效率。而且，減少擴(kuò)孔次數(shù)后，穿透孔軌跡更為平直，孔壁更為完整，更有利于孔內(nèi)埋設(shè)管路。

同時(shí)，為避免工作面推過后垮塌的矸石堵塞鉆孔，大直徑鉆孔穿透位置選在對側(cè)巷道調(diào)機(jī)硐室或鉆場內(nèi)，為穿透孔保留一定的抽采空間，以增加穿透鉆孔內(nèi)通過混量，提升抽放效果。長橫川大直徑穿透鉆孔埋管示意圖如圖5 所示。

圖5 長橫川大直徑穿透鉆孔埋管示意圖

4 應(yīng)用成效

4.1 安全效益（實(shí)際抽放效果）

寺河礦東井區(qū)6302 工作面3 號—4 號橫川為長距離橫川（凈煤柱為150 m），為保證該區(qū)域回采期間瓦斯安全，選擇在63022 巷3 號橫川以里75 m處向63023 巷施工大直徑穿透鉆孔。鉆孔投運(yùn)期間，孔內(nèi)通過混量保持在130 m3/min 左右（見表3），與傳統(tǒng)的橫川閉墻埋管通過混量基本一致，工作面回采期間回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%～0.5%，證明大直徑穿透孔實(shí)際抽采效果達(dá)到預(yù)期，為工作面順利通過長距離橫川提供了瓦斯保障。

表3 63022 巷大直徑穿透孔抽采參數(shù)測量統(tǒng)計(jì)表

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

寺河礦工作面順槽巷道橫川煤柱一般為45 m，掘進(jìn)隊(duì)組貫通一個(gè)橫川和后期的通風(fēng)設(shè)施建設(shè)累計(jì)花費(fèi)成本約為37 萬元，而施工一個(gè)大直徑穿透鉆孔的綜合成本約為2 萬元，即可節(jié)約成本35 萬元。目前寺河礦已累計(jì)施工大直徑穿透鉆孔10 個(gè)，累計(jì)節(jié)約成本350 萬元。

5 結(jié)語

大直徑穿透鉆孔的成功運(yùn)用，創(chuàng)新了回采工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯治理的新模式，大大減少了工作面順槽巷道貫通橫川的工程量，對優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)、保障工作面回采期間瓦斯安全、緩解礦井“抽掘采”銜接緊張都具有重要的積極意義，具有良好的推廣應(yīng)用前景。