大孔径“以孔代巷”高位定向裂隙带抽采钻孔瓦斯治理技术研究

何 健，郭孝星

(1.潞安化工集团有限公司 通风部，山西 长治 046204；2.潞安集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿抽采科，山西 长子 046400)

采空区瓦斯涌出是造成工作面上隅角及回风流瓦斯超限的重要原因，为解决工作面回采期间采空区瓦斯涌出问题,潞安化工集团下属煤矿探索了利用高抽巷抽采采空区瓦斯的技术，该方法具有抽采流量大、瓦斯治理效果较好的优点。然而，高抽巷抽采受巷道施工工程量大、费用高、施工周期长等因素影响，时常出现高抽巷无法按计划掘进到位的情况，导致工作面无法按照正常衔接进行回采，影响矿井整体的抽掘采衔接，因此亟需寻找一种新的采空区瓦斯治理技术用以替代高抽巷抽采。

1 概 况

示范矿井位于山西省长治市长子县境内，总体设计能力500万t/a,分两期建设，其中一期设计核准生产能力300万t/a，井田面积32.233 3 km2。

矿井采用立井单水平开拓方式，井口地面标高+936.5 m，井底水平标高为+370 m，主采3号煤层，采煤方法为综采一次采全高采煤法，矿井为混合式通风，中央风井服务一采区、三采区，尧神沟风井服务二采区。矿井绝对瓦斯涌出量174.71 m3/min，相对瓦斯涌出量18.20 m3/t，属高瓦斯矿井。

2 定向高位钻孔“以孔代巷”抽采技术原理

定向高位钻孔“以孔代巷”抽采技术在原理上与高位裂隙长钻孔抽采技术相同，即利用千米定向钻机施工大直径高位裂隙带钻孔取代高抽巷抽采综采工作面采空区瓦斯。二者主要区别在于定向高位钻孔“以孔代巷”抽采技术的钻孔直径更大，达200 mm以上，能够提供更大的抽采流量，进而起到代替高抽巷的作用。

工作面回采后，受采动影响，顶板围岩上部平衡状态被打破，工作面顶板煤层上部受应力作用产生裂隙，继而形成顶板裂隙带。回采过程中，采空区围岩及遗煤瓦斯大量解吸，在空气浮力作用下沿裂隙带所形成的瓦斯通道上升至裂隙带上部离层，并大量集聚于采空区上覆层的“O”形圈内。将裂隙带抽采孔布置在瓦斯浓度最高、积聚量最大的区域，利用抽采系统进行带抽，以达到消除上隅角、采空区瓦斯积聚，避免上隅角、回风流瓦斯超限的目的。

图1 采空区顶板三带及定向高位钻孔位置

图2 采动裂隙“O”型圈

3 大直径定向高位钻孔 “以孔代巷”抽采技术试验概况

为了试验“以孔带巷”高位定向裂隙带钻孔抽采情况，分别在示范矿井1302工作面采用120 mm孔径高位裂隙带钻孔，1305工作面采用203 mm大直径高位裂隙带钻孔，1303工作面采用高抽巷抽采方式进行对比分析。各钻孔具体施工情况如下：

1) 1302工作面共设计钻场2个，1号钻场布置120 mm高位裂隙带钻孔8个，钻孔米数438～453 m，2号钻场布置120 mm高位裂隙带钻孔10个，钻孔米数475～516 m；1302工作面高位裂隙带钻孔分别布置在3号煤层顶板以上12 m、15 m、20 m、24 m、27 m、30 m和32 m等7个层位。

2) 1305工作面共设计钻场2个，1号钻场布置203 mm高位裂隙带钻孔7个，钻孔米数468～558 m，2号钻场布置203 mm高位裂隙带钻孔7个，钻孔米数504～507 m；1305工作面1号钻场钻孔布置分别在3号煤层顶板以上12 m、15 m、20 m、24 m、27 m、30 m和32 m等7个层位，2号钻场布置在3号煤层顶板以上10 m和20 m等2个层位,见图3和图4。

图3 高位裂隙钻孔设计示意

图4 高位裂隙钻孔开孔位置设计示意(m)

4 试验效果分析

4.1 整体抽采效果分析

1) 120 mm高位裂隙带钻孔抽采情况。1302工作面1号千米钻场带抽期间，实测钻场平均混合气体流量37.51 m3/min，平均浓度11.8%，平均纯瓦斯量4.38 m3/min。具体参数如表1所示。

表1 1302工作面1号千米钻场瓦斯数据

2) 203 mm定向高位裂隙带钻孔“以孔代巷”抽采情况。1305工作面2号千米钻场带抽期间，实测钻场平均混合气体流量96.7 m3/min，平均浓度7.4%，平均纯瓦斯量7.31 m3/min。具体参数如表2所示。

表2 1305工作面2号千米钻场瓦斯数据

3) 高抽巷抽采情况。1303工作面高抽巷带实测平均混合气体流量225.8 m3/min，平均浓度5.6%，平均纯瓦斯量11.54 m3/min。具体参数如表3所示。

4) 抽采数据对比分析。如表3所示，1303高抽巷抽采混量是1302高位裂隙钻孔(120 mm孔径)的5.3倍，是1305高位裂隙孔(203 mm孔径)的2.5倍，1303高抽巷抽采纯量是1302高位裂隙钻孔(120 mm)的2.6倍，是1305高位裂隙孔(203 mm孔径)的1.77倍，原因是高抽巷抽采通道远大于高位裂隙钻孔。

表3 1303高抽巷瓦斯数据

综上所述，以目前“以孔代巷”抽采参数来看，高抽巷抽采效果优于“以孔代巷”钻孔，主要表现在高抽巷抽采混量大、抽采纯量高。通过分析两种抽采方式，最大差距主要在抽采混量上，抽采混量的大小主要取决于抽采断面，因此要改善“以孔代巷”钻孔的抽采效果，必须加大钻孔孔径。

4.2 单孔抽采效果分析

1302工作面1号千米钻场钻孔布置层位距3号煤层顶板12～32 m，带抽期间实测钻场平均混合气体流量37.51 m3/min，平均浓度11.8%，累积抽采纯量481 680 m3，平均纯瓦斯量4.38 m3/min。

1) 单孔抽采纯量分析。如图5所示，通过对比工作面回采期间实测单孔抽采纯量，3号钻孔抽采纯量占钻场纯量的24%，抽采纯量是其他层位钻孔的2倍以上。

图5 单孔抽采纯量对比

2) 单孔抽采混量分析。如图6所示，通过对比工作面回采期间实测单孔抽采混量，3号钻孔抽采混量占钻场混量的18%，抽采混量是其他层位钻孔平均值的1.5倍以上。

图6 单孔抽采混量对比

因此，通过对比工作面回采期间实测单孔抽采纯量、混量，发现高位裂隙钻孔在3号煤层顶板15 m层位、水平层位16 m的位置抽采效果最好，故将高位裂隙孔设置在3号煤层顶板15 m层位、水平层位16 m的位置更适宜试验。

4.3 瓦斯治理效果分析

1) 120 mm钻孔瓦斯治理效果分析。为便于数据统计，将1302工作面裂隙带钻孔的抽采数据按照时间段，结合日产量划分为5个阶段进行了统计，具体抽采情况如图7所示。

图7 1302工作面回采期间瓦斯数据示意

由以上数据可知，利用120 mm钻孔治理采空区瓦斯期间，工作面平均日产量可达7 820 t，上隅角最高浓度1.2%，回风流最高浓度0.76%，上隅角瓦斯浓度偶有瓦斯预警现象，但未有超限现象。

2) 203 mm钻孔瓦斯治理效果分析。便于数据统计将1305工作面裂隙带孔抽采按照时间段结合日产量划分为4个阶段进行了统计，具体抽采情况如图8所示。

图8 1305工作面回采期间瓦斯数据示意

由以上数据可知，利用“以孔代巷”治理采空区瓦斯期间，工作面平均日产量可达8 010 t，上隅角最高浓度0.77%，回风流最高浓度0.62%，工作面未出现瓦斯预警超限现象。

3) 高抽巷瓦斯治理效果。为便于数据统计，将1303工作面高抽巷抽采按照时间段，结合日产量划分为7个阶段进行了统计，具体抽采情况见图9。

图9 1303工作面回采期间瓦斯数据示意

由以上数据可知，利用高抽巷治理采空区瓦斯期间，工作面平均日产量可达8 063 t，上隅角最高浓度0.78%，回风流最高浓度0.68%，工作面未出现瓦斯预警超限现象。

4) 瓦斯治理效果对比。通过以上分析可知，上述三种技术在目前的生产强度下，采用120 mm孔径裂隙带钻孔的工作面出现3次上隅角瓦斯超限情况，而采用203 mm孔径高位定向钻孔及高抽巷抽采的工作面均未出现预警超限现象。通过以下几个方面对上述技术进行了对比，具体参数见表4。

通过表4可知：

表4 三种抽采方式下工作面回采期间瓦斯数据

1) 在目前生产条件下(约日均产量8 000 t)，采用203 mm孔径高位定向钻孔“以孔代巷”及高抽巷技术均能满足工作面回采需要，生产期间工作面上隅角瓦斯和回风流瓦斯较为接近，且不存在工作面瓦斯浓度预警超限情况。

2) 相比于120 mm钻孔，203 mm大孔径“以孔代巷”钻孔抽采流量较大，其中抽采混量是120 mm钻孔的2.6倍，抽采纯流量是120 mm钻孔的1.7倍。

3) 在工作面瓦斯含量接近的情况下，203 mm孔径高位定向钻孔“以孔代巷”技术的抽采流量虽然整体低于高抽巷抽采技术，但“以孔带巷”大孔径高位定向钻孔相比于高抽巷瓦斯治理技术具有施工成本低、工程量小、施工时间短等优点。

4) 在实际生产过程中施工203 mm孔径高位定向钻孔“以孔代巷”工作面瓦斯涌出量低于施工高抽巷工作面，且上隅角瓦斯和回风流瓦斯浓度均未出现预警和超限的情况，说明可以利用203 mm孔径高位定向钻孔抽采代替高抽巷抽采，进而实现“以孔代巷”。

5 结 语

1) 根据现场试验确定，高位裂隙钻孔“以孔代巷”技术的布置层位应在3号煤层顶板15 m、水平层位距回风巷16 m的位置，为方便施工可以在15×16层位进行岩孔群的打设，替代高抽巷。

2) 就目前“以孔代巷”钻孔参数来看，高抽巷的瓦斯治理效果要优于高位裂隙钻孔的瓦斯治理效果，但其施工成本高、工程量大、施工时间长，根据目前实验结果应该优先选用“以孔代巷”治理工作面瓦斯。

3) 120 mm孔径高位裂隙带定向钻孔在1302工作面,由于孔径较小，相对混量偏小，偶有上隅角瓦斯浓度预警的情况；而203 mm孔径高位定向钻孔由于孔径较大，混量也相对较大，在回采期间未出现预警超限现象，抽采混量是120 mm钻孔的1.77倍，抽采纯流量是是120 mm钻孔的1.3倍。在工作面产量相近、涌出量相近的情况下，上隅角浓度同比降低约0.5%，因此203 mm孔径“以孔待巷”抽采效果更好，下一步将持续观察203 mm孔径“以孔待巷”抽采效果，得出更详细、更精确的数据，以计算203 mm孔径“以孔待巷”最大抽采能力。