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(tǒng)是煤礦井下回采工作面簡單而通用的系統(tǒng)，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(chǎn)。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(tǒng)通用瓦斯治理手段，然而受地質(zhì)區(qū)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(tài)。隨著鉆進設備的升級及抽采技術的發(fā)展，我們充分發(fā)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(chǎn)的現(xiàn)狀。

一、礦井概況

某礦年生產(chǎn)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(jīng)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(shù)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(qū)，上覆巖層中產(chǎn)生各種裂隙形成瓦斯運移通道，采空區(qū)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(qū)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(chǎn)。

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(xiàn)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(tài)。

三、大孔徑定向鉆孔抽采技術應用及結(jié)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(fā)揮該鉆孔精準抽采、滯后連續(xù)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(tǒng)、鉆孔平面布置圖及參數(shù)如下：

隨著工作面推進，我們對定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)進行收集，并統(tǒng)計如下：

1#孔：內(nèi)錯膠帶45m，孔徑120mm，垂高48m布置在8倍采高位置，長度702m。根據(jù)工作面推進，對該孔抽采數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計，平均瓦斯?jié)舛?1.6%，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(shù)統(tǒng)計表及曲線如下：

2#孔：內(nèi)錯膠帶30m，孔徑203mm，垂高48m布置在8倍采高位置，長度629m。根據(jù)工作面推進，對該孔抽采數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計，平均瓦斯?jié)舛?0.3%，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(shù)統(tǒng)計表及曲線如下：

3#孔：內(nèi)錯膠帶20m，孔徑203mm，垂高42m布置在7倍采高位置，長度633m。根據(jù)工作面推進，對該孔抽采數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計，平均瓦斯?jié)舛?4.7%，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(shù)統(tǒng)計表及曲線如下：

4#孔：內(nèi)錯膠帶38m，孔徑120mm，垂高60m布置在10倍采高位置，長度647m。根據(jù)工作面推進，對該孔抽采數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計，平均瓦斯?jié)舛?9.2%，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(shù)統(tǒng)計表及曲線如下：

同孔徑異層位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)論：1、孔徑120mm鉆孔優(yōu)先布置在10倍采高以上才能充分抽采裂隙帶“0”型圈內(nèi)高濃瓦斯，孔徑203mm鉆孔優(yōu)先布置在7倍采高有利于改變回風隅角側(cè)瓦斯流場，實現(xiàn)抽采效益最大化，最終上隅角、回風側(cè)瓦斯?jié)舛忍幱诎踩珷顟B(tài)：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(qū)域瓦斯流場，使上隅角瓦斯處于平穩(wěn)安全狀態(tài)。

四、發(fā)展前景

縱觀目前全國高突礦井“u”型通風系統(tǒng)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(jù)其精準定位、連續(xù)抽采、大流量、系統(tǒng)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(fā)展的必經(jīng)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(huán)保經(jīng)濟效益。