超大孔徑鉆孔在綜采工作面上隅角瓦斯治理中應用分析

王向東

(山西汾西中興煤業(yè)有限責任公司，山西 交城 030500)

綜采工作面回風上隅角瓦斯治理問題一直是礦井生產(chǎn)過程中面臨的一個難題[1-2]。傳統(tǒng)的回風上隅角瓦斯治理技術有：采空區(qū)埋管抽采、高位鉆孔(高抽巷)預抽、布置擋風簾、安裝風引射器以及布置局部通風等[3-6]。上述技術方法雖可實現(xiàn)對上隅角瓦斯進行治理，但也存在一定的局限性，特別是綜采工作面采用傳統(tǒng)的U型通風時，上述措施無法從根本上改變回風上隅角瓦斯流場，因而無法杜絕瓦斯集聚問題[7-9]。采用超大孔徑鉆孔(孔徑550 mm)對采空區(qū)瓦斯進行抽采，可從根本上避免瓦斯集聚。

1 工程概況

山西某礦7506綜采工作面設計推進長度1 250 m、切眼斜長220 m，開采的7號煤層厚度平均2.7 m。煤層原始瓦斯含量介于10.2～14.5 m3/t，經(jīng)過瓦斯預抽后參與瓦斯含量降低至6.8 m3/t以內。7506綜采工作面上部為7508綜采面(回采巷道已掘進完畢)、下部為7504采面采空區(qū)，采面護巷煤柱設計寬度為30 m。為了降低7506采面回風上隅角處瓦斯集聚，決定在7508進風巷采用ZDJ10000L鉆機向7506綜采工作面采空區(qū)施工超大孔徑鉆孔(孔徑500 mm)對上隅角瓦斯進行治理。

2 現(xiàn)場應用

2.1 鉆孔施工參數(shù)

2.1.1 布置位置

7506綜采工作面采用傳統(tǒng)U型通風方式，通過在7508進風巷與7506回風巷間布置超大孔徑鉆孔對回風上隅角瓦斯進行抽采，從而使得上隅角位置處形成負壓區(qū)，不僅可截漏部分攜帶高濃度瓦斯的風流，又可轉移上隅角位置處的低能點，從而將大部分采空區(qū)漏風經(jīng)過超大孔徑鉆孔抽放，實現(xiàn)上隅角瓦斯治理目的。通過采用超大孔徑鉆孔來改變回風上隅角位置風流移動方向，從而避免上隅角位置由于渦流而導致瓦斯集聚。超大孔徑鉆孔布置位置見圖1。

2.1.2 鉆孔間距

鉆孔卸壓影響范圍內的瓦斯流場主要為徑向流動，當鉆孔間距過小時，由于受到鄰近鉆孔瓦斯流場疊加影響，造成鉆孔瓦斯抽采量降低，同時鉆孔間距過小也會顯著增加瓦斯治理成本；但鉆孔間距過大時，特別是間距超過鉆孔本身抽采影響范圍時，在鉆孔間容易形成瓦斯抽采空白帶，降低瓦斯抽采效果。因此，合理確定超大孔徑鉆孔間距對提升瓦斯治理效果、降低瓦斯治理成本具有顯著意義。

表1為超大孔徑鉆孔不同間距時的瓦斯抽采純量及上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測情況，從表中看出，鉆孔間距在15～20 m時，鉆孔瓦斯抽采純量較為理想、上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩秶鷥龋瑫r可降低鉆孔施工成本。因此，在7506綜采工作面布置的大孔徑鉆孔間距設計為20 m。

表1 不同間距下的鉆孔瓦斯抽放情況

2.1.3 施工參數(shù)

超大孔徑鉆孔間距對上隅角、采空區(qū)以及采面內瓦斯?jié)舛确植加酗@著影響。超大孔徑鉆孔與回采工作面越近越有利于上隅角及采面瓦斯治理，越靠近采空區(qū)深部越有利于采空區(qū)瓦斯涌出控制，但是對上隅角瓦斯治理效果影響不明顯。根據(jù)礦井現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)并結合其他礦井瓦斯治理經(jīng)驗，確定在7506綜采工作面超大孔徑鉆孔間距為20 m，在采面內合計布置75個超大孔徑鉆孔，具體鉆孔布置參數(shù)見表2，布置示意見圖2。

表2 鉆孔布置參數(shù)

圖2 鉆孔布置示意

2.2 篩管施工

采用ZDJ10000L鉆機施工超大孔徑鉆孔。該鉆機最大鉆進深度可達48 m，鉆進的500 mm孔徑鉆孔采用直徑426 mm篩管護孔(具體參數(shù)見表3)。該鉆機可實現(xiàn)一次成孔，通過螺旋鉆桿進行排渣，鉆孔施工完畢后，采用鉆機將篩管頂至鉆孔內，同時鉆機有小型抓管設備可實現(xiàn)全自動抓、送篩管，鉆孔鉆進完成后可及時下放篩管，有效避免鉆孔塌孔問題，從而實現(xiàn)大孔徑鉆孔瓦斯抽采目的。

表3 篩管參數(shù)

2.3 鉆孔封孔

鉆孔封孔距離為6 m(孔口及孔尾各3 m)，通過聚氨酯充填篩管與鉆孔周邊裂隙，隨后將篩管與瓦斯抽放直管連接，接入到礦井瓦斯抽放系統(tǒng)中。為了避免鉆孔內篩管由于晃動或者碰撞影響封孔質量，在鉆孔孔口采用水泥砂漿緊固篩管。鉆孔從7508進風巷向7506回風巷施工，穿過護巷煤柱(30 m)，在7508進風巷對鉆孔封孔后接入到瓦斯抽采系統(tǒng)中，鉆孔的另一端裸露在采空區(qū)內并通過篩管進行固定。具體封孔工藝見圖3。

圖3 鉆孔封孔工藝

3 應用效果分析

超大孔徑鉆孔進入到采空區(qū)5 m時開始接抽并停止接抽深入到采空區(qū)深部超大孔徑鉆孔，實現(xiàn)采面采空區(qū)瓦斯及回風上隅角瓦斯的同時抽放。當1號大孔徑鉆孔與采面切眼平行時暫時不接抽，待采面超前鉆孔5 m時1號鉆孔開始接抽；采面繼續(xù)推進，當超前2號鉆孔5 m時開始接抽2號鉆孔同時關閉1號鉆孔，依次類推，直至采面回采完畢。具體采面推進100 m范圍內1～5號超大孔徑鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓闆r見圖4。

圖4 超大孔徑鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

從圖4可以看出，超大孔徑鉆孔瓦斯抽采濃度在距采面15～20 m時瓦斯?jié)舛蕊@著增加，其中在距采面20 m時瓦斯?jié)舛茸畲罂傻?.6%。隨著采面推進，當超大孔徑鉆孔進入采面后方采空區(qū)15～20 m時，該鉆孔完全處于采空區(qū)內，鉆孔瓦斯抽采濃度相對較高，當采面鉆孔間距達到25 m時，由于靠近采面位置新接抽1個大孔徑鉆孔，從而造成原鉆孔瓦斯抽采流量部分被新鉆孔分段，使得原鉆孔瓦斯抽采濃度有所降低，此時通過新接抽鉆孔繼續(xù)對上隅角瓦斯進行抽放。具體抽放過程中上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結果見圖5。

圖5 回風上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r

從圖5可以看出，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.09%～0.6%間波動，主要是由于鉆孔接替抽放引起。隨著采面推進，超大孔徑鉆孔對上隅角位置瓦斯的抽采能力有所降低，從而導致上隅角瓦斯?jié)舛仍黾?，但是均在安全、可控范圍內。?506綜采工作面布置超大孔徑瓦斯抽采孔后，回風上隅角位置瓦斯?jié)舛染刂圃?.6%以內，顯著提升了礦井瓦斯治理能力。

4 結 語

1) 采用ZDJ10000L鉆機在采面施工超大孔徑鉆孔具有鉆孔孔徑大、成孔效果好、篩管下放速度快、護孔效果明顯等優(yōu)點，可降低回風上隅角瓦斯?jié)舛炔p少采空區(qū)瓦斯向采面涌出。

2) 采用超大孔徑鉆孔替代傳統(tǒng)的沿空留巷Y型通風方式，有效治理了U型通風時回風上隅角瓦斯集聚問題。采用超大孔徑鉆孔時瓦斯抽采效果穩(wěn)定，可替代傳統(tǒng)的采空區(qū)埋管、插管瓦斯治理方式，簡化瓦斯抽采系統(tǒng)，降低煤炭開采成本。

3) 超大孔徑鉆孔通過在采空區(qū)位置處形成一個負壓區(qū)，人為改變上隅角位置風流場，攔截采空區(qū)瓦斯向上隅角涌出，鉆孔間距20 m時上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.6%，表明孔徑550 mm、間距20 m以及其他參數(shù)布置均較為合理。