摘 要：煤礦高位鉆孔瓦斯抽放是進(jìn)行瓦斯抽放的重要技術(shù)手段之一，對于有效解決鄰近層與采空區(qū)的瓦斯抽放問題有著重要意義。為此，文章主要從高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件及合理層位的選擇入手，重點(diǎn)對影響高位鉆孔參數(shù)的主要因素進(jìn)行了分析闡述，并切實(shí)提出了一系列針對高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的策略，希望給行業(yè)相關(guān)人士一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；高位鉆孔；瓦斯；抽放

引言

在對高位鉆孔抽采瓦斯參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，需要對上覆巖層中冒落帶、裂隙帶以及彎曲下沉帶（俗稱“豎三帶”）煤層的分布范圍進(jìn)行精準(zhǔn)劃分，特別是裂隙帶的分布范圍。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬和相關(guān)的理論計(jì)算被廣泛應(yīng)用到裂隙帶分布范圍的分析計(jì)算中，其與現(xiàn)場試驗(yàn)一樣，具有重要的參考價值。

1 高位鉆孔采空區(qū)抽采技術(shù)原理

通過采場覆巖移動規(guī)律，我們可以將豎直方向上的覆巖移動破壞分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶等“三帶”，其中裂隙帶則可以具體分為微小斷裂帶、普通斷裂帶和嚴(yán)重斷裂帶三種情況。同時，其在水平方向上也會形成重新壓實(shí)區(qū)、離層區(qū)和煤壁支撐影響區(qū)等三個區(qū)域。在對煤層的開采過程中，覆巖離層及裂隙的分布情況會直接影響到瓦斯的流動，對于煤層的離層裂隙而言，其不僅為瓦斯集聚提供了一定場所，更為瓦斯流動提供了相應(yīng)的通道。

所謂高位鉆孔指的是在風(fēng)巷向煤層頂板進(jìn)行的鉆孔工作，而運(yùn)用高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放指的是將工作面回采采動壓力的離層裂隙作為瓦斯抽放的主要通道。在這種壓力的作用下，瓦斯就會順著裂隙流到巷道或者抽采鉆孔內(nèi)，并運(yùn)用抽采管路對其進(jìn)行抽放。在具體操作過程中，尤其是高位鉆孔距離工作面還有一段距離時，可能會抽出濃度比較高的瓦斯，說明在煤壁支撐影響區(qū)內(nèi)，其煤層頂板已經(jīng)形成了離層裂隙的瓦斯通道。工作面煤壁瓦斯受到采動壓力的影響，可以解吸瓦斯，然后經(jīng)由裂隙流入鉆孔，這就是高位鉆孔抽放的工作原理和重要作用。

2 高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件及合理層位選擇

2.1 適用條件

通過抽放采空區(qū)或者圍巖瓦斯的方式，高位鉆孔能夠?qū)ι相徑鼘油咚瓜虿煽諈^(qū)運(yùn)動時予以攔截，對回風(fēng)流和上隅角瓦斯超限的問題予以處理。因此，其主要對采空區(qū)、上部圍巖以及鄰近層工作面比較適用，換句話說，采空區(qū)瓦斯超限問題是高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)解決的主要問題。

2.2 高位鉆孔合理層位選擇

高位鉆孔合理層位指的是抽放效果比較好、瓦斯來源廣泛且釋放比較活躍的區(qū)域。通常情況下，高位鉆孔抽放帶理論下限要比頂板冒落帶的高度要高，如果高位鉆孔施工層比冒落帶低，則需要與采空區(qū)進(jìn)行直接溝通，這樣做的結(jié)果是鉆孔負(fù)壓較小、流量大，但卻有較低的瓦斯?jié)舛?。因此，下限通常位于煤層頂板的五到二十米范圍，而部分煤層較厚、瓦斯含量比較高的區(qū)域則需要放頂煤工作面，此時其下限也可以置于煤層中。對于絕大多數(shù)煤礦而言，高位鉆孔抽放帶的理論上限煤層頂板的距離通常要低于五十米。若將封孔效果因素排除在外，那么層位越高，就會出現(xiàn)濃度越高的瓦斯抽放，同時抽放的混合量也比較小。大量實(shí)踐證明，高位鉆孔抽放帶的理論前方界限應(yīng)該位于工作面之前的幾米處，且理論后方界限應(yīng)該位于工作面之后的幾十米處。

2.3 高位水平鉆場及鉆孔設(shè)計(jì)

2.3.1 確定鉆場層位

通常情況下，鉆場要進(jìn)入煤層頂板過程中，鉆孔開孔高度不得低于0.5米，降低鉆孔施工傾角，有效提升鉆孔的利用效率。此外，在綜采面上風(fēng)巷進(jìn)行鉆場層位確定時，首先依據(jù)20°向上施工4米，然后轉(zhuǎn)入施工鉆機(jī)平臺，確保所有鉆場均進(jìn)入煤層頂板，且保持抽放鉆孔與煤層頂板的距離要在5米以上。

2.3.2 確定鉆場間距

地質(zhì)條件和鉆機(jī)性能對鉆場間距有著決定性影響，一旦鉆機(jī)有著較高的性能，且在優(yōu)良地質(zhì)條件下，則可以適當(dāng)加長鉆場間距，但在實(shí)際操作過程中仍舊要留有相應(yīng)的余地。

2.3.3 確定鉆孔數(shù)量

工作層面瓦斯涌出量以及抽放量對鉆孔數(shù)量有著直接影響，為此我們要對煤層工作面的單孔抽放情況進(jìn)行觀測，一般直接91mm的鉆孔，其單孔平均抽放量需要保持在0.5～1.0m3/min之上。所以們運(yùn)用直徑91mm的鉆孔且瓦斯的涌出量在20m3/min以上時，需要設(shè)置五個鉆孔，大大降低瓦斯涌出量。

2.3.4 確定鉆孔傾角

在對鉆孔傾角的確定過程中，需要謹(jǐn)遵盡可能增加鉆孔有效抽放長度的原則。通常情況下，鉆孔角度越小，其鉆孔控制層位也就越容易達(dá)到要求，那么其有效抽放長度也就相應(yīng)加長。然而在實(shí)際操作過程中，為達(dá)到理想狀態(tài)，就必須不斷加大鉆場的施工壓力，給瓦斯管理、鉆場通風(fēng)等方面工作帶來嚴(yán)重影響。

2.4 綜合防治技術(shù)

2.4.1 高位鉆孔瓦斯抽放

無論在走向上還是在垂向上，高位鉆孔抽采在理論上都存在著一定的界限。就走向角度而言，高位鉆孔能夠有效解決工作面后方幾十米范圍內(nèi)的上隅角瓦斯超限問題。因此，高位鉆孔層位設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題就是對工作面后方有關(guān)覆巖裂隙分布特點(diǎn)加以確定。

2.4.2 立管抽放

為增強(qiáng)瓦斯抽放效率和抽放效果，可在回風(fēng)巷內(nèi)布設(shè)相應(yīng)的立管，以便于對采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽放。如圖1所示，該區(qū)域運(yùn)用的是雙立管交替埋管抽放的方式，將準(zhǔn)219mm×30mm的鋼管埋入采空區(qū)達(dá)到20m時，可在第五節(jié)鋼管的工作面?zhèn)仍O(shè)置一根帶有彎頭的立管，然后經(jīng)由彎頭向遠(yuǎn)離工作面方向繼續(xù)敷設(shè)準(zhǔn)219mm鋼管，且長度不能低于30m。同時，為了增強(qiáng)立管瓦斯抽放的效果，每間隔一段距離還需要設(shè)置一道封堵墻，并在其中填充相應(yīng)的卡弗尼，以提升密封效果。

3 影響高位鉆孔參數(shù)的主要因素分析

3.1 有效抽采裂隙帶高度

所謂的有效抽采裂隙帶高度指的是與高位鉆孔采空區(qū)的抽采技術(shù)相關(guān)的核心參數(shù)，其對工作面采高、工作面長度及推進(jìn)度、煤層頂板巖性等有著直接影響。其中，煤層頂板巖性遇到堅(jiān)硬巖層時，需要適當(dāng)降低抽采裂隙帶高度；當(dāng)工作面推進(jìn)度較快時，需要適當(dāng)降低抽采裂隙帶高度；當(dāng)工作面長度較小時，需要依據(jù)實(shí)際情況降低抽采裂隙帶高度。有效抽采雷系帶的高度約為采高的十七倍。當(dāng)煤層頂板較硬時，其高度也有所降低（W2404、S2711、W1E406）。而煤層比較薄的工作面有效抽采裂隙帶高度要比煤層比較厚的區(qū)域要低。

3.2 煤壁支撐影響區(qū)長度

作為采空區(qū)高位鉆孔技術(shù)的核心內(nèi)容，煤壁支撐影響區(qū)距離受到煤層頂板巖性、工作面推進(jìn)程度、工作面長度及傾角、仰采、俯采等眾多因素的影響。煤壁支撐影響區(qū)距離大概在三十米到四十五米之間，相比于有效抽采裂隙帶的高度而言，有著較大的變化空間。具體說來，主要表現(xiàn)為下面幾個方面：一是開采高度越低，其影響的區(qū)域就會越長；二是當(dāng)頂板比較堅(jiān)硬時，有著較長的影響區(qū)域；三是工作面推進(jìn)距離較短時，有著較長的影響區(qū)域。通過對工作面煤壁支撐影響區(qū)距離的比較，可以快速、精準(zhǔn)得出工作面的俯采，從而采取有效措施縮短工作面煤壁支撐影響區(qū)的距離。除此之外，當(dāng)工作面的傾角處于較大位置時，也就是處于上行風(fēng)時，將會較大幅度縮短回順煤壁支撐影響區(qū)距離，同時其高位鉆孔與回順之間的夾角也會相應(yīng)縮小，對有效處理上隅角的瓦斯產(chǎn)生比較有利的影響。

3.3 高位鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

通過相應(yīng)的模擬結(jié)論可以得出，隨著煤礦工作面的不斷向前推進(jìn)，其裂隙帶的高度也會不斷增加，加上正?；夭善诋a(chǎn)生的裂隙帶與初采期產(chǎn)生的裂隙帶有著本質(zhì)的區(qū)別，所以第一鉆場鉆孔的設(shè)計(jì)方案也與其他鉆孔的設(shè)計(jì)方案有著本質(zhì)的區(qū)別。具體說來，主要表現(xiàn)為下面幾個方面：第一，第一鉆場需要在距離煤層頂板6-12米的巖層區(qū)域內(nèi)科學(xué)布設(shè)鉆孔終孔層位；第二，第二鉆場及其他鉆場則需要在距離煤層頂板12-30米的巖層區(qū)域內(nèi)布設(shè)高位鉆孔終孔層位；第三，第二、三鉆場上下二排鉆孔終孔走向的水平距離為20米，而第五鉆場的上下二排鉆孔以及第一、四鉆場終孔走向的水平距離為10米；第四，前一鉆場與后一鉆場的鉆孔保持一定的距離，使得其終孔位置始終處于工作面頂板破斷面的外部，為確保前后鉆場高濃度瓦斯抽放的連續(xù)性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，為確保前后鉆場瓦斯抽放連續(xù)性效果，還需要對周期垮落步與采空區(qū)頂板破斷腳之間的距離進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，從而有效得出鉆場之間的鉆孔設(shè)計(jì)壓茬長度。

根據(jù)采動裂隙的“O”形圈理論，頂板高位鉆孔在傾向方向上的有效控制范圍與風(fēng)巷的距離最大為40m，因此鉆孔的終孔位置與風(fēng)巷中線的平距必須小于40m。綜合考慮工作面頂板在傾向及走向方向破斷角，通過合理計(jì)算得出，在鉆孔終孔與回風(fēng)巷中線的平距為1-30m時抽放效果將最佳。同時，依據(jù)著名的采動裂隙“O”形圈定理，在傾向方向上，頂板高位鉆孔的有效控制范圍與風(fēng)巷的最大距離不能超過40米，所以風(fēng)巷中線與鉆孔終孔位置間距必須低于40米?？偠灾?，經(jīng)過對各方面因素進(jìn)行綜合考慮之后可以看出，回風(fēng)巷中線與鉆孔終孔的間距需要保持在1-30米時，瓦斯抽放的效果才最好。

4 結(jié)束語

總而言之，在將高位鉆孔合理應(yīng)用在于上隅角瓦斯抽放的過程中，通過對煤礦高位鉆孔參數(shù)的深入分析和研究，得出采空區(qū)工作面的瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?.1%-0.5%之間，符合規(guī)定要求，且瓦斯的抽放率可以達(dá)到六成以上，取得了良好的抽放效果，為煤礦安全生產(chǎn)奠定了夯實(shí)基礎(chǔ)。

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