地面鉆孔在采煤工作面頂板裂隙瓦斯抽采中應用研究

摘要：現階段，地面鉆孔技術在煤礦開采過程中的應用十分常見。在該技術的支持下，礦井內部的瓦斯濃度得到顯著降低。這不僅可以規避瓦斯爆炸等事故的發生，還能為井下人員的安全提供保障。由此，本文對地面鉆孔在采煤工作面頂板裂隙瓦斯抽采中應用進行研究，通過對鉆孔參數進行分析、設計，提出了相應的設計規格，以充分發揮地面鉆孔技術的效用。

關鍵詞：地面鉆孔;頂板裂隙;瓦斯抽采

1 地面鉆孔參數研究

1.1 地面鉆孔的空間位置

在實際的采礦過程中，受工作面采動的影響，礦井內部的上覆巖層會發生下沉、變形等現象，導致工作面覆巖水能夠產生了較多的裂縫。在這些裂縫的作用下，煤層透氣性被提高，為瓦斯在礦井內部的流通提供了便利，煤巖體對瓦斯的解析能力也得到了強化，有助于提升其排放效果。此時，若工作人員選擇在地面進行鉆孔，則必然會取得良好的排放效果[1]。其中，錢鳴高院士等人在當前的研究基礎上提出了采動裂隙“O”圈概念。從其主要內容可得，在初采階段，礦井內部的覆巖現象在頂板中部相對明顯，這也使得該區域具有較為明顯離層裂隙效果，煤層滲透率也較強，相應的上覆煤巖層的膨脹效果也最大。另外，當礦井覆巖中部的最大下沉系數為2.7～2.8之間時，其礦面采高為3.1m，且上部巖層未壓實厚度為。在這種情況下，施工人員需在頂板工作面中部設置鉆孔。

1.2地面鉆孔的特點，

首先，地面鉆孔的孔徑較大，這一特點的存在使得其在過程中需要承受較大的負壓，進而使得單孔瓦斯抽采濃度較高，最高可達95%左右。同時，地面鉆孔方式的應用還可以保障瓦斯抽采的穩定性[2]。從實際效果來看，單孔最大的純瓦斯抽采量可達到。其次，當鉆孔傳入煤巖層時，其內部孔徑可達到150mm左右。此時，由于鉆孔內部有套管及篩管的保護，使得技術人員在通過鉆孔抽取瓦斯時，可以為瓦斯的排放營造更加通暢的渠道，有助于實現地面鉆孔度工作面采空區的長時間抽采。最后，地面鉆孔的成本較低，且開孔位置處于地面，使得其操作流程相對簡便，還不會對礦井工作面的回采工作造成影響。

2 地面鉆孔參數設計

2.1 選擇鉆孔層位

由于采煤工作面頂板裂隙很難被直接檢測，因此，工作人員往往會按照頂板覆巖破壞規律，采用已有的經驗公式，對采煤工作面頂板進行分析，從而使裂隙及鉆孔位置得到確定[3]。如對緩傾斜煤層進行測量時，若其覆巖結構為硬巖、軟巖組成的混合巖，則采用如下公式進行計算：

其中，m為礦層開采厚度。對采煤區，其工作面燈板上部裂隙帶高度按照下表公式進行計算。其中，根據目標礦井的實際賦存情況與地質條件，可得出工作面采高約4m左右，煤層傾角的平均值為8°。

另外，煤層上覆巖層大多以泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖等材料構成，屬于中硬巖性代入使得將相關參數值帶入公式后可得：采煤區上覆巖層的冒落帶高度頂部為11.4m，裂隙帶高度頂部范圍在12.8～41.8m之間。在這種情況下，施工人員應當將鉆孔設置在裂隙帶的中線位置，這樣才能取得最佳的開孔效果，其層位的計算可通過如下公式進行計算

由此，通過將參數帶入上述公式可得，將鉆孔終孔的位置布置在具開采面層頂板27m左右的位置，能夠取得良好的抽采成效。

2.2 鉆孔參數設計

根據上述分析，在礦井采煤工作面頂板裂隙處，瓦斯的流動效果最佳，這使得工作人員常常將鉆孔布置在此處。具體而言，當對工作面長度為200m。順槽設計長度1390m的礦井進行鉆孔操作時，應先在其工作面上布置4個鉆孔，鉆孔間保持330m的距離，且將抽放半徑保持在100～200m左右。另外，為防止抽放盲區的發生，需將鉆孔間距控制在鉆孔直徑以下。

2.3 對鉆孔直徑的選擇

對瓦斯抽采環節而言，鉆孔直徑對其抽采效率有著直接聯系。且從相關研究結果可以看出，瓦斯氣體主要以滲透及擴散兩種形式在裂隙中發生流動，并會根據縫隙的大小體現出不同的形式。同時，鉆孔時產生的次生應力還會導致鉆孔周邊的巖體發生變形，進而使其透氣系數發生變化。為此，技術人員可先通過下述公式完成對鉆孔周圍泄壓半徑的計算。

其中，fr為巖體的摩擦因數，σ0為打鉆前的巖體應力;σc是巖體單軸抗壓強度，r0為鉆孔半徑。而Kp則由公式計算得來。

從該公式中可以看出，泄壓半徑與巖體強度成反比，與鉆孔直徑成正比，這使得泄壓半徑越大，瓦斯的流動性就越強，對其的抽采工作也就能取得更加明顯的成效。我國研究院通過對薛湖煤礦二煤層進行了數值仿真，在保證瓦斯壓力、抽采負壓及煤層滲透系數等數值不變的情況下，分別對直徑為80 、100、120mm的抽采孔進行分析，最后得出120mm抽采空的抽采流量最高，可達到0.45m3/min。由此，隨著定向鉆孔直徑的不斷增大，抽采孔壁與瓦斯氣體的接觸面積增大，有助于瓦斯抽采能力的提高。因此，為取得良好的抽采效果，當前的礦業單位大多采用大孔徑、多孔道的方式完成地面鉆孔作業，以實現瓦斯抽取的順利進行。但從巖土力學的角度來看，鉆孔直徑過大很容易引發坍塌現象，進而給企業帶來經濟損失。

3 結束語

為減少瓦斯爆炸事故的發生，礦產單位需要做好對礦井內部瓦斯氣體的排放處理，從而降低礦井的瓦斯濃度，最大限度規避爆炸事故的發生。由此，本文對地面鉆孔在采煤工作面頂板裂隙瓦斯抽采中應用進行研究，通過對地面鉆孔參數設計進行研究，制定了鉆孔直徑、位置的選擇方式。這不僅有助于提高對地面鉆孔的施工效果，還能充分發揮地面鉆孔技術的效用。

參考文獻：

[1]李明生，劉玉亮. 厚煤層開采地面垂直鉆孔抽采瓦斯技術研究[J]. 煤炭技術，2020，39（11）：100-101.

[2]王耀鋒. 中國煤礦瓦斯抽采技術裝備現狀與展望[J]. 煤礦安全，2020，51（10）：67-77.

[3]張博. 采動裂隙帶地面L型鉆孔遇巖層位數值模擬[J]. 山西焦煤科技，2020，44（05）：4-7+13.

作者簡介：房曉溪（1982.07～），男，漢，安徽淮北人，本科，工作方向：土木工程。