定向钻机施工树状钻孔的应用

秦志强

摘要：瓦斯始终威胁着煤矿工人的生命安全，随着科技的进步，国内外对瓦斯治理的研究越来越深入，技术工艺越来越丰富。目前，高瓦斯矿井在上下临近煤层开采方面，大多采用开采解放层、高(低)抽巷、穿层钻孔预抽等瓦斯治理技术，成本较高，对回风隅角瓦斯控制不甚理想。通过技术研究赵家山煤矿，在本煤层抽采的基础上采取高位钻孔、栈道钻孔、隅角封闭抽采等措施，较好地控制了回风隅角的瓦斯涌出，实现了工作面单面保证矿井产量，取得了满意效果，对相似瓦斯地质条件下开采的矿井具有借鉴意义。

关键词：采煤工作；回风隅角；瓦斯

1 工程概况

某煤矿井田面积6.6 km2,总可采储量51.9 Mt, 生产能力为1.2 Mt/a, 属高瓦斯矿井，2019年3月正式投产。矿井采用斜井开拓，中央分列式通风系统，机械抽出式通风。矿井目前开采1个水平，水平标高为+715 m, 布置一采一备四个掘进头，现开采2#煤层，生产工作面为2102综采工作面，采用U型通风系统，工作面宽180 m, 采用垮落法管理顶板。

地面瓦斯抽放泵站建在回风立井工业广场，安设高压、负压瓦斯抽采系统各一套，一台运行一台备用，抽采主干管选用为Φ630 mm×10 mm螺旋焊接钢管，支管选用Φ325 mm×4 mm, Φ426 mm×4 mm螺旋焊接钢管，抽采泵参数见表1。

表1 瓦斯抽采泵参数

抽采泵型号	台数	电机功率/kW	工况流量/(m3·min-1)
2BEC-80	2	900	628
2BEC-62	2	400	323

2 瓦斯涌出情况分析

2.1 矿井瓦斯涌出情况

矿井瓦斯涌出情况见表2。

表2 矿井瓦斯涌出情况统计表

矿井绝对 瓦斯涌出量/ (m3·min-1)	矿井相对 瓦斯涌出量/ (m3·t-1)	采煤工作面		掘进工作面		临近层		本煤层
		瓦斯涌出量/ (m3·min-1)	占矿井 涌出比/%	瓦斯涌出量/ (m3·min-1)	占矿井 涌出比/%	瓦斯涌出量/ (m3·min-1)	占矿井 涌出比/%	瓦斯涌出量/ (m3·min-1)	占矿井 涌出比/%
58.11	30.68	42.58	73.30	11.06	19	27.69	47.70	30.42	52.30

2.2 影响煤层瓦斯含量的主要因素

2.2.1 煤层地质构造

井田位于清交矿区中南部，地面标高+1 105 m, 目前开采标高为+780～+737 m, 开采深度为+335～+368 m。受区域构造影响，总体为一倾向北西的单斜构造，在此基础上发育次一级宽缓褶曲，并伴生数条落差小于20 m的断层。

2.2.2 煤层透气性及瓦斯赋存相关参数

2#煤层直接顶板为细砂岩、砂质泥岩、泥岩交互，厚度平均7.45 m。其上为03#煤层，平均厚度1.43 m, 03#煤层向上为细砂岩、砂质泥岩交互，厚度平均13.2 m, 致密性较大，透气性差，瓦斯不易散失。实测煤层瓦斯压力、放散初速度、破坏类型、最小坚固性系数等结果见表3。

表3 瓦斯赋存相关参数测试结果统计表

瓦斯压力/MPa	瓦斯放散初速度/(mmHg)	煤破坏类型	坚固性系数	瓦斯流量衰减系数/d-1	透气性系数
0.23	9.2～11.0	IV	0.44	0.053 6	0.003 6

3 钻孔选择及参数设计

3.1 钻孔选择

钻孔选择主要考虑将可能流向回风隅角及附近的瓦斯堵截、减弱、降浓，在终孔附近形成负压区，瓦斯向负压区流动，改变隅角漏风汇风流规律，较大限度地减少隅角瓦斯涌出。根据赵家山2102工作面实际选择高位钻孔、栈道钻孔进行防治。

3.2 高位钻孔参数设计

3.2.1 终孔高度的确定

工作面采空区顶板三带中，断裂带瓦斯体积分数高、裂隙发育是瓦斯抽采终孔的最佳位置，且断裂带不随着工作面推进及时垮落，孔的完整性相对较好，滞留采空区时间长，利用率高。

3.2.2 终孔距回风隅角水平距离确定

通过已实施的抽采钻孔分析，采空区O型圈回风侧边缘距轨道(回风)顺槽30 m左右，因此，高位钻孔终孔水平位置距轨道(回风)顺槽为30 m法线距离以深。2102工作面设计8个左右高位钻孔时，距轨道(回风)顺槽为法线距离在30～65 m之间。

3.2.3 钻孔长度设计

钻孔长度及步距主要考虑经济、合理、抽采持续效果、钻孔利用率、服务时间等因素。2102工作面推进度4～5 m/d, 实践钻孔打入采空区8～10 m裂隙带裂隙发育逐步充分，抽采体积分数逐步升高，钻孔逐步发挥作用;钻孔推剩至30～25 m, 钻孔效果变差；推剩至20 m内，钻孔在采空区完全进入冒落带中下部，抽采体积分数降到5%以下，钻孔因超前压力被压坏，失去作用。因此，钻孔长度需根据终孔高度、水平距离、煤层倾角、巷道坡度及钻孔伪倾斜角度综合计算。钻孔长度设计区间在78～108 m, 服务最佳长度在40 m, 服务时间达到8～10 d。钻孔参数见表4。

表4 高位钻孔参数设计统计表

钻孔参数	1#孔	2#孔	3#孔	4#孔	5#孔	6#孔	7#孔	8#孔	备注
孔长/m	89	91.0	91.0	93.0	93.0	95	97	99
倾角/(°)	18	18.0	18.0	18.0	17.0	17	16	16	随煤层倾角而变化
水平夹角/(°)	19	21.0	23.0	25.0	27.0	29	30	31
终孔高度/m	22	22.4	22.8	23.2	23.6	24	24	24	与2#煤层顶板的间距

4 结论

2102工作面通过高位钻孔、栈道钻孔抽采，配合其他抽采措施，轨道顺槽回风流瓦斯体积分数控制在0.2%～0.4%之间，回风隅角瓦斯体积分数降到0.3%～0.5%,达到了规程规定的安全值以内，保障了工作面的安全开采，对相似瓦斯地质条件下开采的矿井具有借鉴意义。

参考文献

[1] 中国煤炭建设协会.煤矿瓦斯抽采工程设计标准：GB 50471-2018[S].北京：中国计划出版社.2018.

[2] 钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.