大孔径顶板长钻孔瓦斯抽采技术的研究

沈小青1,2

（1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；2.安徽金黄庄矿业有限公司，安徽 宿州 235200）

【摘　要】针对潘三矿1311（3）采煤工作面的瓦斯涌出特性，为有效的治理瓦斯超限的难题并节约成本，采用φ89mm钻杆、ZDY-10000S系列钻机及配套钻具，成功施工了深度超过500m的走向抽采钻孔并以此代替传统的高抽巷瓦斯抽采技术。通过对大孔径顶板钻孔抽采瓦斯方法的抽采效果及经济效益的分析，表明利用大孔径钻孔顶板钻孔抽采瓦斯技术治理瓦斯效果是显著的，瓦斯抽采浓度达到50%以上，实现了采煤工作面安全高效回采。

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关键词 大孔径；顶板钻孔；抽采

作者简介：沈小青（1983.09—），男，四川成都人，安徽金黄庄矿业有限公司通防副总工程师，安徽理工大学硕士研究生。

0　引言

长期以来，瓦斯灾害一直影响着煤矿的安全生产，尤其在高瓦斯矿井，瓦斯治理不仅成本高而且常常因为不能及时与原煤生产工作相衔接制约着煤矿的生产[1]。如何实现煤与瓦斯的安全高效回采，既能提高经济效益又能保护环境，是煤矿从业人员一直奋斗的目标[2]。大孔径顶板钻孔抽采技术有效地采空区瓦斯流场，减弱了采空区瓦斯涌出强度，具有抽采瓦斯浓度高，抽采系统运行费用低，综合治理效果好，且经济效益显著等优势[3－4]。

1　试验工作面概况

潘三矿1311（3）工作面西一采区首采工作面煤层为11-2煤层，上覆煤层为11-3煤层，厚度为0.6m，两煤层间距约为0.8m。11-2煤层倾向长度为253m,走向长度为2150m, 倾角为0～6°，可采煤厚平均约为3.2m,平均瓦斯含量约为5.62～6.64m3/min。工作面采用倾斜长壁采煤法，一次性采全高，顶板采用全部垮落法管理。该工作面于2007年12月26日投产，设计日产煤量7272t，回采期间本煤层的瓦斯涌出量为45.47m3/min，邻近煤层的瓦斯涌出量为12.02m3/min。工作面采用大孔径顶板走向长钻孔替代高抽巷抽采瓦斯，工作面正常推进时平均日产8000t。工作面采用“U”型通风，配风量2750m3/min，风排瓦斯量15m3/min，正常情况下顶板走向长钻孔和巷帮高位钻孔共抽采瓦斯22.1m3/min，采空区埋管瓦斯抽采量为7.5m3/min，顺层钻孔抽采瓦斯量为0.86m3/min，抽采率67.0%，回风流瓦斯抽采浓度0.55%。

2　大孔径长钻孔布置及施工

2.1　高位钻场、钻孔布置

2.1.1　高位钻场布置情况

在1311（3）轨道顺槽中，总共布置了5个高位钻场，其间距各不相同，1#高位钻场距开切眼605m位置，而1#、2#、3#、4#和5#钻场的距离分别为215m、276m、278m和470m如图1所示。1#、2#、3#、4#钻场从轨道顺槽下开窝，采用29U型棚支护型式，设计断面为3.2m×3.25m，穿层钻孔直至11-3煤层顶板。5#高位钻场从1311（3）轨顺联巷开窝，采用锚喷支护型式，设计断面8.0m×3.25m，长10m，施工至11-2煤层顶板垂高12m后施工平巷。

2.１.2　大孔径长钻孔的布置

5#高位钻场起初设计为9个钻孔，为优化抽采效果实际施工11个钻孔，布置成扇形分布，终孔至11-2煤层顶板25～35m位置处，各钻孔与轨道顺槽水平投影的距离0～60m不等，设计孔深500～520m，开孔径133mm，扩孔孔径为φ153mm、φ193mm，其中选择7#全程扩孔至φ193mm钻孔压茬距大于40m。

2.2 钻孔成孔情况

5#高位钻场共施工完成11个钻孔，开孔孔径为113mm或133mm，扩孔孔径为133mm或153mm，扩孔深度134mm～542mm，孔内全程下φ108mm钢质花套管护孔。封孔材料为聚氨脂，护孔套管采用4寸花管，封孔套管采用5寸铁管，封孔管为直径125mm，封孔长度10m，每个孔下φ108mm的花套管均在200m以上。

3　5#钻场抽采效果分析

抽采管路为：孔口φ150mm抽采管→φ420mm汇流管→φ426mm三通→轨道顺槽φ450mmPE管→φ630mm抽采干管→地面泵站（2BEF72-300型抽采泵）。5#高位钻场在连接支管上安装孔板流量计进行考察，考察的单孔最大瓦斯抽采量3m3/min，目前钻场抽采负压40kPa,抽采瓦斯混合量51.5m3/min,瓦斯抽采浓度为50.6%,瓦斯抽采的纯流量26.2m3/min。

4　效果分析

与传统的高抽巷抽采瓦斯的施工量大、成本高、时间长相比，顶板走向钻孔在能保证瓦斯治理效果的基础之上，同时又能兼顾成本低、高效率、高效益的特点。因此，在矿井瓦斯治理中得到了广泛的应用。

4.1 瓦斯治理效果

（1）瓦斯抽采量大、抽采率高。1311（3）工作面总抽采瓦斯量为34.46m3/min，抽采率达到75.8%。5#钻场瓦斯抽采量为26.2m3/min，抽采率达57.4%。

（2）安全、日煤产量高。工作面采用顶板走向钻孔后，平均日产原煤8000t，保产能力可达10000t/日，且期间从未发生瓦斯超限。

（3）具有可行性。鉴于1311（3）工作面绝对涌出量小于50m3/min，采用大孔径顶板走向长钻孔替代高抽巷治理瓦斯是可行的。

4.2　效率比较

高抽巷与煤巷掘进同期施工，由于施工量大，用时需要13个月，比工作面贯通晚4个月。而采用大孔径顶板走向钻孔技术后，用时大大缩短，2个月内可完成钻场和钻孔的作业，同时，由于钻场施工简便，即可与采煤平行施工，有可分段单独施工，生产效率得到进一步提高。

5　结论

大孔径顶板走向钻孔可有效地节省掘进巷道的时间和降低工人的劳动强度，降低煤炭的生产成本，提高了煤矿的经济效益，同时可以保证矿井的瓦斯抽放量，使煤矿瓦斯变废为宝，实现了煤与瓦斯的高效安全回采，为进行瓦斯的综合利用创造了条件。

随着钻具的不断优化和钻进工艺的不断创新,大孔径长钻孔治理瓦斯的方法更加体现其优越性,这次5#高位钻场的11个抽采孔主要有以下几个特点:

1）抽采最大化

（1）大孔径扩孔。在5#高位钻场的11个钻孔中有7个φ133mm和4个φ153mm全程扩孔，并且试验了一个φ193mm扩孔，扩孔长度为320m。

（2）大孔径封孔抽采。封孔管全部使用5寸铁管，孔口用6寸软管连接到φ426mm汇流管，再由φ426mm干管直接进钻场。

（3）高负压抽采。钻场抽采负压达到40kPa，瓦斯抽采混合流量51.5m3/min，抽采浓度50.4%，瓦斯抽采纯流量26.2m3/min。

２）钻场布置合理化

（1）考虑到长钻孔尽可能不穿过大断层，因此在1311（3）工作面轨道顺槽300~500m之间，合理的布置了5个高位钻场。

（2）为方便施工，考虑到长钻孔尽可能是2～5°的上山孔。因此将钻场均布置在11-2煤层顶板5～15m处。

（3）为使开钻方便和钻孔布置均匀，钻场采用15m×5m×3m，以确保ZDY-10000S钻机能够正常的工作。

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参考文献

［１］陈健,张宏钧,范伟.大孔径长钻孔瓦斯抽放技术与装备的应用[J].煤矿安全,2004,35(4):12-15.

［２］赵耀江,谢生荣,温百根,郭海东,袁胜军.高瓦斯煤层群顶板大孔径千米钻孔抽采技术[J].煤炭学报,2009,34(6):797-801.

［３］苏银泰.大孔径顶板钻孔替代高抽巷抽采瓦斯技术[J].能源技术与管理,2012,3:74-75.

［责任编辑：邓丽丽］