高位钻孔抽采技术在矿井瓦斯治理中的应用探究

高位钻孔抽采技术在矿井瓦斯治理中的应用探究

张广龙

淮北矿业杨庄煤矿通风区安徽淮北235000

摘要：我国采矿行业受到瓦斯灾害的影响很大，每年因为瓦斯而引起的煤矿事故很多，并且在事故中造成的人员伤亡和财产损失巨大。随着矿井深度的增加，采矿工程出现的安全问题也就更为复杂，矿井深度增加的同时，煤层瓦斯的压力和含量也随之增加，发生煤矿事故的可能性也就越大。针对在高瓦斯煤层回采过程中，煤与瓦斯突出综合检测指标经常超限、瓦斯抽采率低等问题，提出了在风巷施工高位钻孔的瓦斯抽采技术。

关键词：高位钻孔；瓦斯抽放；应用研究

一、高位钻孔瓦斯抽放的原理

在煤层开采过后的上覆岩中会出现裂隙。这种裂隙分为两种，一种为离层裂隙，这类裂隙是由各个岩层之间的下沉不同步而产生的。所有它是指岩层下沉的过程中不同岩沉之间出现的岩层裂隙，另一种为竖向破断裂隙，是由岩层承受的拉剪作用超过了其自身的承受能力所造成的裂隙。他是在岩层下沉的过程中破断形成的穿层的裂隙。此外，采空区的上覆岩层由上到下一次为弯曲下沉带、裂隙带和冒落带，成为“三带”。在工作面推过后，弯曲下沉带裂隙不发育，裂隙带的上部主要为离层裂隙发育而下部分为破断裂隙发育，冒落带的破断裂隙非常发育，它的岩快在破断后以不同的贵州垮落。在采空区的顶板充分垮落后，采空区的中部岩层与下方的石紧压在一起，采空区顶板的裂隙被紧紧压实，面采空区四周的岩层由于煤壁的支撑和岩层块的长度不同，是的上下岩层之间仍存在离层，在采空区中部压实，四周存在一个横向连通的采动裂隙发育区，专业上称“0”形圈。“0”圈在采空区的切眼一侧固定不动，而在工作面一侧，以工作面的推进速度，随着工作面的逐渐推进而前移，所有，“0”形圈始终存在于采空区的顶板充分垮落后，处在“0”形圈上方或下方的煤层，收到采动的影响会涌出一定的瓦斯，瓦斯在浓度梯度和压力梯度的影响下迅速向“0”形圈内扩散和渗透，从而使“0”形圈能够承载上煤层释放的瓦斯，并对瓦斯进行运移。

二、高位钻孔的作用

高位钻孔主要用于治理采空区的瓦斯，通过钻孔抽放，减少采空区的瓦斯浓度。

（1）采空区的瓦斯浓度降低后，减少采空区的瓦斯涌出量，避免瓦斯超出，放置瓦斯事故，外采掘工作面生产创造条件。

（2）相邻工作面开采时，由于裂隙，造成瓦斯流动，可减少已采工作面所产生的瓦斯的影响。

（3）通过抽放，切断相邻煤层瓦斯本煤层涌出的涌道，减少瓦斯向工作面的涌出量。这种抽放技术的效果与钻孔的孔径、成孔率、钻孔在煤层顶板的位置及抽放泵的能力有关。但主要难控制的是采场的顶板控制及活动规律。

三、瓦斯涌出及流动规律

工作面的瓦斯主要来源于两个方面：1.落煤产生的；2.相邻煤层或顶底板裂隙涌入的。

瓦斯流动的原因：1.瓦斯的密度为空气密度的0.554倍，瓦斯涌出进入矿井空气中，由于瓦斯密度比周围气体介质的密度小，瓦斯就会上浮；2.由于裂隙通道或漏风通道两端存在能量差，使瓦斯具有流动的能量。基于两个因素，瓦斯沿着顶板裂隙向上部离层的裂隙区运移。

四、煤矿瓦斯的抽采技术?

3.1模块化抽采?

对于高程度变质、煤质坚硬且层厚近水平、地质简单，适宜粗钻孔和打长的矿井区，任一生产盘区可作一个瓦斯的抽放模块，对千米钻机加以利用来进行羽状千米钻孔的布置，以覆盖所有盘区，这样很可行。

（1）成孔工艺的原理?

用螺杆马达近水平定向钻进煤矿井下，通过对不同定向弯外管进行选用调节，可以实现不同定向效果。依据钻孔轨迹的设计，施钻过程可利用随钻测斜的数据对弯外管工具面向角调整，使得钻孔倾角与方位能基本达到预定的目标。

（2）分支孔的成孔工艺?

有两种成孔工艺方法可实现侧钻开分支孔―前进式开分支孔和后退式开分支孔。螺杆钻具进行定向钻进的时候，悬空侧钻开分支是这两种开分支孔最简单的施工方法，也就是直接将导向钻具（单弯螺杆钻具组成）下至预开的分支点3m以上某处，再依据要求对工具面向角进行调整，以滑动的方式缓慢地钻进，直至新分支孔开出。

（3）应用过程需要达到的相应技术指标?

定向钻进成孔的孔径要大于等于96mm，钻孔深度为500m，成孔率要大于等于80%，钻孔深度为600m成孔率要大于等于65%；钻孔平均的开分支孔的时间小于等于50min。

该抽采方法主要优点是：钻孔的覆盖面积大、钻孔的瓦斯流量比较稳定、单孔抽放的时间长且浓度高，区域消突的作用好；钻机移动的次数较少，钻进效率得到提高，且利于集中化铺设并采集抽放管道；能精确地对盘区的地质构造进行探测，提供可靠的地质资料给下一步采掘活动；实现井下的大面积采掘活动，千万吨级年产量目标得以实现。

该抽采方法主要缺陷是：地质条件较为复杂的地带或者软煤层地带长钻孔难以实现；千米钻机的引进成本较高，且培训与维护技术人员的费用较高，对中小型矿井来说，所占投入产出的比例比较大，该抽放方法不适用。

3.2交叉钻孔对区段瓦斯抽采的技术?

针对难以控制千米钻孔，控制之外与预抽时间较为不充分区段的煤层，抽放区段瓦斯可采用顺层交叉钻孔。用型号为ZDY3200S的钻机，钻进约100m（工作面的宽度约为200m），孔径为94mm。钻场布于工作面巷道内，掘入工作面，对已掘出工作面的煤体瓦斯实行控制。

该钻孔的布置方式较好地控制了瓦斯在厚煤层中的流动方向，因此较短时间内，可达20%的吨煤瓦斯的抽采率。

该方法主要优点是：单位时间、瓦斯的抽采率比较高；钻进工艺也很简单，设备的维护和技术人员的培训费用比较低；可以同时开辟几个钻场来钻进，提高工作效率。

该抽采方法主要缺陷是：工程量比较大，钻机需要频繁地移动；抽放管线的铺设工程量较大且复杂。

3.3穿层钻孔对煤巷条带瓦斯进行抽采的技术?

对于开拓高瓦斯盘区阶段，为安全掘进煤巷，应当采取穿层钻孔技术预抽煤巷条带瓦斯。

抽放的工艺和原理：开掘岩巷于煤项底板，采取岩巷所形成的开拓的空间对底板岩巷的高位钻场进行布置，利用型号为ZDY3200S的钻机钻入对煤层扇形钻透的钻孔，其终孔位置的巷道轮廓线控制在外15m。

该抽采方法主要优点是：每单位时间瓦斯的抽采率比较高；钻进的工艺较为简单，设备的维护和技术人员的培训费用也比较低；可以同时开辟几个钻场进行钻进，提高工作的效率。

该抽采方法主要缺陷是：需要辅助巷道，采掘的工程量比较大，费用较高，钻机需要频繁地移动；抽放管线的铺设工程量较大且比较复杂。

2.4“钻墙”对煤巷掘进实行掩护的技术抽采瓦斯?

“钻墙”是一边掘一边抽采，用扇形的方式布置抽放钻孔于御压带内，它距巷道壁不远，即用钻孔构筑一道墙于煤壁两侧沿煤层全厚（所以称作“钻墙”）。沿着煤层运移向巷道的瓦斯设置一道屏障，使得卸压带以内的深部煤体瓦斯移动向巷道空间被阻断了，与此同时，利用来自抽放系统的负压，抽出卸压带以内深部的煤体运移到钻墙的瓦斯，以对巷道两侧暴露的煤壁涌出巷道的瓦斯进行截流。

结束语

在高瓦斯煤层回采过程中采用高位钻孔的抽采措施，可有效地解决瓦斯抽采率低的问题，降低了回风流中的瓦斯体积分数，提高了瓦斯抽采量和抽采率，减少了向工作面的瓦斯涌出量，保证了工作面的安全回采。

参考文献

[1]段志国.不同方式的定向钻孔在采面治理瓦斯上的应用[J].山西煤炭，2014，34（08）：56-58.

[2]任仲久.高位钻孔抽采技术在工作面瓦斯治理中的应用[J].中州煤炭，2014，（02）：52-54.