胡 文 浩

（長(zhǎng)治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046605）

0 引 言

隨著煤炭挖掘水平的不斷提高，礦井開采日益加深，往往出現(xiàn)低瓦斯礦井逐漸轉(zhuǎn)換為高瓦斯礦井的情況。由于瓦斯抽采能力的不足，導(dǎo)致井下瓦斯爆炸的可能性增加，嚴(yán)重影響了煤礦開采的安全生產(chǎn)。為解決這一問題，以三元下霍煤礦高瓦斯礦井作為研究對(duì)象，對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1 地質(zhì)概況

山西三元下霍煤礦位于長(zhǎng)子縣慈林鎮(zhèn)五里莊村北300m，核定生產(chǎn)能力240 萬t/a。井田位于沁水煤田潞安礦區(qū)，井田面積為40.8123km2，批準(zhǔn)開采3 號(hào)煤層，地質(zhì)儲(chǔ)量284.97Mt，可采儲(chǔ)量為173.82Mt，煤種為貧瘦煤、貧煤，礦井鑒定為高瓦斯礦井?，F(xiàn)階段對(duì)礦井瓦斯涌出量測(cè)定，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為12.66m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為2.86m3/t。

2 高位鉆場(chǎng)位置選擇與現(xiàn)場(chǎng)使用

高位鉆孔通風(fēng)的原理是在已有的通風(fēng)區(qū)域內(nèi)，人為的增加通風(fēng)管路。通風(fēng)管路主要分布于采空區(qū)，將采空區(qū)與地面相連，利用采空區(qū)與地面產(chǎn)生的壓差，將巷道內(nèi)高濃度瓦斯從采空區(qū)排出。這樣不但降低了工作區(qū)瓦斯?jié)舛?，還能夠緩解通風(fēng)系統(tǒng)排放瓦斯的壓力。

高位鉆孔的位置對(duì)排放瓦斯效果的好壞影響很大，目前，鉆場(chǎng)位置一般布置在膠帶巷或者回風(fēng)巷。

2.1 膠帶巷布置鉆場(chǎng)

膠帶巷布置的鉆場(chǎng)面積一般為4m×4m×3m，鉆場(chǎng)位置在膠帶巷側(cè)壁一處傾向巷道末端，鉆孔將巷道與地面相連，地面處鉆孔位于發(fā)育裂隙帶內(nèi)。鉆孔角度與巷道成扇形分布，數(shù)量一般為4 處。

在膠帶巷布置鉆孔的缺點(diǎn)在于，鉆場(chǎng)抽采瓦斯的壽命時(shí)間受工作面推進(jìn)的限制，因?yàn)殡S著掘進(jìn)的深入，鉆孔會(huì)被破壞掉，抽取瓦斯的能力會(huì)逐漸降低直到徹底失效。為了延長(zhǎng)鉆場(chǎng)抽取壽命，可以提高鉆孔的傾角，但這樣會(huì)導(dǎo)致鉆孔長(zhǎng)期處于冒落帶，嚴(yán)重降低鉆孔的利用率。

施工方面，膠帶巷布置的鉆場(chǎng)鉆孔角度較小，鉆孔難度較大，容易造成埋孔現(xiàn)象。同時(shí)抽放瓦斯的管路需放置在膠帶巷內(nèi)，減少了巷道有效斷面面積。

2.2 回風(fēng)巷布置鉆場(chǎng)

回風(fēng)巷布置的鉆場(chǎng)面積一般為4m×4m×3m，鉆場(chǎng)位置在回風(fēng)巷側(cè)壁，鉆孔將鉆場(chǎng)與地面相連。鉆孔角度朝切眼方向，數(shù)量一般為5 到8 處。

將回風(fēng)巷鉆場(chǎng)與膠帶巷鉆場(chǎng)作比較發(fā)現(xiàn)，在回風(fēng)巷布置鉆場(chǎng)有受工作面掘進(jìn)影響較小，鉆孔角度較大，鉆孔難度相對(duì)較低以及抽放管路布置合理等優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇在回風(fēng)巷布置鉆場(chǎng)。

2.3 高位鉆孔抗壓封孔裝置的現(xiàn)場(chǎng)使用

下霍煤礦設(shè)計(jì)了一種用于高位鉆孔抗壓封孔裝置，將抗壓鋼管和PVC 管混合使用，通過推行該封孔方法，顯著提高了在應(yīng)力集中區(qū)域高位瓦斯鉆孔的服務(wù)時(shí)間，增強(qiáng)了高位鉆孔對(duì)采空區(qū)裂隙帶的抽采效果。經(jīng)對(duì)比，使用抗壓封孔裝置后高位鉆孔服務(wù)長(zhǎng)度增加了20m 以上，瓦斯抽采量提高了1 倍以上，瓦斯抽采濃度由30%上升至70%。

3 高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔仰角的確定

通過上述分析可以得出，為保證鉆場(chǎng)瓦斯抽采效率，鉆孔終孔的最佳位置應(yīng)處在發(fā)育裂隙帶內(nèi)，如圖1 圖中所顯示的網(wǎng)格部分，從圖中可以看出鉆孔仰角的確定，取決于裂隙帶、冒落帶、彎曲下沉帶的具體高度，以及離層區(qū)實(shí)際寬度以及卸壓角a 的大小。

圖1 鉆孔終孔最佳區(qū)域

圖中B'到網(wǎng)格部分的垂直距離計(jì)算公式如下：

式中：l'為預(yù)留煤柱高度，取值45m；h2為裂隙帶高度，取值47m；m 為煤層厚度，取值4.2m；a 為卸壓角,a=80°。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘測(cè)過公式計(jì)算得出該高瓦斯礦井中OB'值為52.54m。

將OB' 數(shù)值代入公式可得鉆孔最大仰角，γ=39°。

鉆孔的最小仰角β，由以下公式計(jì)算得出：

式中：OC'為C'到網(wǎng)格部分的垂直距離，m；h1為冒落帶高度，取值17m；d 為離層區(qū)寬度，通過大量研究發(fā)現(xiàn)，離層區(qū)寬度d=0.8l，l 為初次來壓布距，數(shù)值為30m。

經(jīng)計(jì)算得出，鉆孔的最小仰角β 為21°。

根據(jù)上述分析可知，在回風(fēng)巷布置的鉆孔數(shù)量一般為5～8 處，該實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)選擇布置5 處鉆孔，其中1號(hào)鉆孔仰角取γ=39°最大值，2～5 號(hào)鉆孔仰角依次降低。

3.2 鉆孔方位角的確定

鉆孔方位角的確定可以保證鉆孔的終孔在離層區(qū)內(nèi)，因此在鉆孔之前，需按下式計(jì)算各個(gè)鉆孔的方位角：

式中：OD'為圖1 中D 點(diǎn)水平方向投影到網(wǎng)格線的距離，通過計(jì)算OD'=50.5m；OA'為圖1 中A 點(diǎn)水平方向投影到網(wǎng)格線的距離，通過計(jì)算OA'=76.2m；L為鉆孔長(zhǎng)度，L≈90m；為各鉆孔仰角，°；ω 為各鉆孔方位角，°。

實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔采用ADR-250 型鉆機(jī)鉆進(jìn)，鉆機(jī)鉆孔后直徑為320 mm，孔徑過大導(dǎo)致鉆桿相對(duì)較重，在實(shí)際鉆孔過程中，鉆孔長(zhǎng)度會(huì)存在偏差，實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)方位角完孔如圖2 所示。因此，在計(jì)算出方位角時(shí)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整了鉆孔仰角的數(shù)值；計(jì)算得出1～5 號(hào)鉆孔方位角分別為180°，193°、205°、214°，222°。具體施工參數(shù)如表1 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)方位角完孔示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)

4 高位鉆孔與傾向高位巷試驗(yàn)觀測(cè)及對(duì)比分析

為檢測(cè)高位鉆孔抽采的實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)礦井內(nèi)進(jìn)行了抽采實(shí)驗(yàn)，并在鉆場(chǎng)相距100m 處增加8 條傾向高位巷，用于對(duì)比判斷分析高位鉆孔抽采效果。8 條高位巷位置為回風(fēng)巷側(cè)面，沿著煤層頂板以40°斜向，橫截面積為2.4m×2.4m。為保證抽采數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確真實(shí)，瓦斯檢定員會(huì)每天下井對(duì)高位鉆場(chǎng)和高位巷進(jìn)行瓦斯抽采檢測(cè)，每天檢測(cè)4 次取均值進(jìn)行記錄，記錄數(shù)據(jù)如圖3～圖6 所示。

圖3 高位鉆孔瓦斯抽采濃度

圖4 高位巷瓦斯抽采濃度

圖3～圖4 為隨著工作面施工掘進(jìn)，不同抽采區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓€。從表上可以看出，高位鉆場(chǎng)的抽采濃度最高為79%，平均濃度為45%，高位巷抽采濃度最高為52%，平均濃度為32%，相比較而言，高位鉆場(chǎng)抽采的瓦斯?jié)舛让黠@高于高位巷。

從變化規(guī)律上看，高位鉆場(chǎng)抽采濃度隨著工作面掘進(jìn)深度的加深，抽采濃度不斷降低。說明高位鉆場(chǎng)受工作面變化影響較大。高位巷的抽采濃度在距工作面40m～80m 之間相對(duì)穩(wěn)定；超過80m 后，抽采濃度變化劇烈，沒有規(guī)律性。說明高位巷受工作面變化影響較小。

圖5～圖6 為隨著工作面施工掘進(jìn)，不同抽采區(qū)域內(nèi)瓦斯純度的變化曲線。從表上可以看出，高位鉆場(chǎng)抽采純度距工作面距離37m 處突然升高，達(dá)到了17.59，隨后純度相對(duì)降低，但一直保持穩(wěn)定于13.23，有效抽采距離持續(xù)至距工作面距離70m 處；高位巷抽采純度在距工作面54m 后上升至9.3，并保持穩(wěn)定，有效抽采距離持續(xù)至距工作面87m。由此可以得出采用高位鉆場(chǎng)進(jìn)行瓦斯抽采不但純度較高，有效抽采時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

圖5 高位鉆孔瓦斯抽采純量

圖6 高位巷瓦斯抽采純量

5 結(jié) 語

以山西三元下霍高瓦斯礦井作為對(duì)象，分析計(jì)算了高位鉆孔具體鉆角參數(shù)，確定了鉆孔仰角最佳值為21°～39°，鉆孔方位角最佳值為180°～225°。在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并與高位巷瓦斯抽采進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高位鉆孔瓦斯抽采雖然抽采濃度受到工作面掘進(jìn)施工的影響。但不論從抽采純度還是有效抽采時(shí)間上均高于高位巷瓦斯抽采?？梢杂行M足高瓦斯?jié)舛鹊V井的抽采工作。