高位钻孔瓦斯抽放技术的研究与应用解析

大直径长距离高位钻孔瓦斯抽放技术的

研究与应用

棘理想

：

（河南平煤集团四矿）

摘要平煤集团四矿为解决突出的煤层安全开采问题，实现瓦斯治理由局部治理向区域治理转变，四矿在具备条件的戊组和己组煤层大力推广了保护层开采，并取得良好的效果，近距离保护层开采后，被保护层大量的瓦斯涌入保护层，导致工作面上隅角瓦斯积聚，回风流瓦斯浓度处于临界状态，给保护层工作面瓦斯治理带来很大的难题，通过大直径长距离高位钻孔的研究及试验，取得了良好的瓦斯抽放效果与瓦斯治理效果，工作面实现了高产高效，对同类矿井保护层开采瓦斯防治，具有较高推广应用价值。

关键词高位钻孔瓦斯抽放参数优化

矿井概况

平煤集团四矿位于平顶山矿区中部，１９５８年投产，经过５０年来矿井改扩建，实际生产能力试验工作面概况

四矿井田内畲煤地层为太原组、山西组和石盒子组，共含煤层１０余层，戊。煤层平均煤厚２．１ｍ，瓦斯含量为６．８ｍ３／ｔ，煤层的透气性系数０．００６ｍ２／（ＭＰａ２・ｄ）；戊，。。煤层大部分为合层，平均煤厚

ＭＰａ，戊。煤层与戊，。。煤层间距２—１２ｍ。为典型的近距离

戊。一１９１５０工作面位于戊九采区东翼中下部，是戊九采区东翼回采的第二个工作面，工作面标瓦斯涌出规律及特点

上部戊。煤层保护层开采后，采场周围受采动影响煤、岩层产生卸压，膨胀变形，产生裂隙，被・－——３３８．－——１３．ＯＭｔ／ａ。井田东西走向长约２．５ｋｍ，南北倾向长约５．５ｋｉｎ，面积１４ｋｍ２，２００７年度矿井瓦斯等级鉴定结果，全矿井相对瓦斯涌出量为９．９７ｍ３／ｔ，绝对瓦斯涌出量为５３．０７ｍ３／ｍｉｎ。近年来，随着开采深度的不断延伸，机械化程度不断提高，矿井压力及煤层瓦斯含量急剧增加。为解决突出的煤层安全开采问题，实现瓦斯治理由局部治理向区域治理转变，该矿在具备条件的戊组和己组煤层大力推广了保护层开采，并取得良好的效果，但在近距离上保护层开采过程中，大量被保护层瓦斯涌出，导致工作面上隅角瓦斯浓度较高，严重影响了工作面的安全回采。为此在保护层工作面实施了大直径长距离高位钻孔抽放技术研究，取得了良好的瓦斯抽放效果与瓦斯治理效果，确保了安全生产。２３．５ｍ，瓦斯含量１２．６ｍ３／ｔ，瓦斯压力０．９５煤层，客观上为保护层开采提供了条件。高一４４０～一４９０ｍ，垂深６８０～９００ｍ，平均走向长１

０４２ｍ，平均采长１９６ｍ。戊。煤层赋存稳定，煤厚１．６—２．３ｍ，平均２．１ｍ，煤层倾角平均９．５。，可采储量５９０７９２ｔ，经鉴定戊。煤层为不易自燃煤层。工作面地质构造复杂，共有１６条断层，落差分别为０．１—３．Ｏｍ。３

保护层戊。．，。煤层瓦斯大量卸压，沿着采动裂隙大量涌入回采工作面，造成回风流瓦斯浓度处于临界状态，回采工作面上隅角瓦斯经常超限。根据瓦斯涌出资料计算分析，戊。煤层工作面瓦斯涌出主要有两部分组成，一部分是工作面煤壁及采落煤块的瓦斯涌出，这部分瓦斯涌出量占工作面瓦斯总涌出量的１１％一１５％；另一部分是被保护层戊，．．。煤层瓦斯涌出，这部分瓦斯涌出量占工作面瓦斯总涌出量的８５％一８９％，是保护层工作面回采过程中的主要瓦斯涌出源。

４工作面高位水平钻孔抽放机理

戊。煤层开采后，随着工作面向前推进，在采动压力场作用下，覆岩的移动破坏，其影响范围在垂直方向上和水平方向上形成“竖三带”和“横三带”。既在采空区垂直方向由下而上上形成冒落带Ｉ、裂隙带Ⅱ和弯曲下沉带Ⅲ，也在水平方向上形成煤壁支撑影响区Ａ、离层区Ｂ和重新压实区Ｃ（图１）。在冒落带内，冒落矸石处于自然堆积状态，孔裂隙较大；在弯曲带岩（煤）层内，由于岩层保持原有的完整性，裂隙小透气性差；在裂隙带中煤岩层裂隙较为发育，适应于瓦斯以渗流的形式流动，受工作面风量的影响较小，释放瓦斯浓度较高。而在“横三带”中，只有离层区瓦斯释放充分，瓦斯浓度较高，孔裂隙分布状态适应于瓦斯渗流，且受工作面风量的影响较小。采动不仅使煤层吸附瓦斯解吸，还给瓦斯运移提供通道，戊。煤层开采后在其上方形成裂隙带，其岩性为（厚６．４ｍ）沙质泥岩，有利于钻孔施工、成孔，有利于抽采采空区冒落带及裂隙带瓦斯，进而改变采空区流场分布，为实施高位钻孔抽放瓦斯提供了必要条件。

④煤壁支撑影响区（ａ—ｂ）；⑤离层区（ｂ—Ｃ）；⑥重新压实区（ｃ—ｄ）Ｉ一冒落带；ＩＩ一裂缝带；Ⅲ一弯曲下沉带；ａ一支撑影响角

图１

５戊。煤层开采后形成的“竖三带”和“横三带”高位钻场及钻孔参数设计

（１）钻场层位确定。在上风巷施工钻场时，先按３０。向上施工４ｍ，然后再变平施工高位钻场，５。ｌ高位钻场的设计使钻孔开孔在沙质泥岩里，减少钻孔倾角，提高钻孔利用效率，有利于提高封孑Ｌ质量，钻场规格为６ｍｘ４ｍ×３ｍ。

（２）高位钻场间距确定。合理的钻场间距应当是相邻两钻场的钻孔有空间上能重叠，并且前钻场的高浓度终点恰好接续本钻场高浓度起点，即钻孔空间重叠和连续抽放。同时在选择钻场时，应考虑工作面构造、采动影响、便于维护、有利于提高封孔质量，以及钻机的性能等，应根据实际情况作适当调整。如果钻机性

能高、能力大，在地质条件允许下可以将钻场间距加长。施工钻具选用西安煤科院研制ＺＤＹ４０００Ｓ全液压坑道钻机，钻孔深度３５０／５０ｍ，最大扭矩４０００Ｎ・ｍ，根据以上要求在工作面风巷内错共施工高位钻场６个，钻场间隔１２０—１６０ｍ。如图２高位钻场布置平剖面图所示。５．２高位钻孔的设计

（１）钻孔数量的确定。钻孔数量取决于工作面的瓦斯涌出量和需要抽放瓦斯量。根据以往高位．．一３３９．－一

高掣场＼—军高位繁ｋ茎采空区

｜

－／］罱岛

图２高位钻场布置平剖面图

钻孔抽放实践和工作面采取“Ｕ＋Ｌ”的通风方式，确定每个钻场施工４—５个钻孔，就可以满足本工作面治理瓦斯需要，因此确定每个钻场施工４—５个钻孔。（２）同一钻场内钻孔间距。主要是开孔间距与终孔间距，开孔间距过小，容易造成串孔不利于钻孔施工，影响封孔质量，孔数过密将造成相互干扰，不能达到增加抽放量的目的。因此确定每个钻场钻孔开口距高位钻场底板１．５ｍ，开孔间距不小于０．８ｍ，终孔问距５．Ｏｍ左右。

（３）钻孔终孔层位的确定。根据戊。煤层顶板类型、经验数据确定以及终孔高度不小于４～５倍采高计算：钻孔终孔最佳层位位于戊。煤层顶板１０—２８ｍ处，即冒落带上部，裂隙带下部，最后确定裂隙带高度为１８—２８ｍ。（４）终孔点距采面回风巷的距离。按岩石卸压角计算和巷道卸压圈范围确定终孔点距采面回风巷的距离，同时考虑矿山压力这一定性因素。按岩层卸压角计算。计算公式为：

式中卜终孔点距回风巷的距离ｍ；

肘８——岩层垮落高度ｍ；Ｘ＝（２—４）ＭＢ／ｔａｎ砂

谚——沿倾斜卸压角，泥岩时为７００。按巷道卸压圈范围为巷道宽度（３．８）的３—４倍计算，

同时考虑到矿山压力的影响，最后确定终孔点距回风巷的距离为２３ｍ范围内。６高位钻孔封孔技术及抽放系统形成

６．１高位钻孔封孔技术改进

高位钻孔先用咖１１３ｒａｍ钻头钻孔，再用咖１５３ｍｍ钻头自孔口向内进行扩孔，最后用咖１９３ｍｍ钻头扩孔形成终孔，终孔平均孔深１００ｍ，最深孔长２０８ｍ。钻孔受采动过程中的超前压影响及软岩层、泥岩断层等影响，导致个别钻孔塌孔堵孔，抽放效果差，抽放量小。针对上述原因。经过认真分析，在实践中采取了如下措施：高位水平钻孔施工完毕后，用中１００ｍｍ玻璃钢管作