何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：以典型的高瓦斯礦井為例，瓦斯事故的隱患極大，消除瓦斯事故隱患需要花費較多的時間、空間和費用，同時機械化采掘設(shè)備很難發(fā)揮效用，同時該煤礦開采煤層屬于高瓦斯近距離煤層群，煤層瓦斯含量豐富，采用傳統(tǒng)的瓦斯抽采方法不僅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空氣中污染大氣，浪費資源。文章針對高瓦斯近距離煤層群的地質(zhì)特點，采用頂板高位長距離大孔徑定向鉆孔抽采上鄰近層和采空區(qū)瓦斯，長距離大孔徑鉆孔抽采本煤層瓦斯，底板長距離大孔徑定向鉆孔抽采下鄰近瓦斯，高位、中位、低位瓦斯抽采技術(shù)相互配合，形成近距離煤層群千米定向鉆孔煤與瓦斯共采技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：長距離;千米定向鉆孔;煤與瓦斯共采;方案設(shè)計

引言

煤層瓦斯，又稱為煤層氣[1～3]，賦存于煤層之中，近幾年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井數(shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，瓦斯危害越來越嚴重，頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展。同時，瓦斯又是一種清潔、高效的能源，如果將瓦斯資源安全抽采并加以利用，則能實現(xiàn)能源供應(yīng)、礦井安全生產(chǎn)和環(huán)境保護的統(tǒng)一。因此，如何更有效地開發(fā)和利用煤層瓦斯，一直以來都是廣大的科研工作者努力的方向和目標。

煤層群首采工作面回采時，上下鄰近層產(chǎn)生卸壓作用，卸壓瓦斯大量解析，利用定向長鉆孔抽采鄰近層和本煤層解析出的瓦斯，達到在開采煤層的同時抽采瓦斯資源，實現(xiàn)煤與瓦斯共采[4～8]。定向長鉆孔[9～13]具有鉆孔孔徑大、長度長、瓦斯抽采濃度高、抽采瓦斯時間長的特點，能夠有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，還可以超前回采強化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隱患、縮短預(yù)抽期，有利于緩和采掘接續(xù)緊張的矛盾，同時還在于實現(xiàn)了抽采瓦斯工藝技術(shù)的變革，即將傳統(tǒng)的多點分散式打鉆抽采變?yōu)榧胁伎壮椴?，使抽采瓦斯的管理更為集中化、科學化，使定向長鉆孔抽采瓦斯技術(shù)工藝在我國得到廣泛推廣應(yīng)用，進一步縮短在抽采瓦斯技術(shù)工藝方面同發(fā)達國家的差距。

1工程概況

某礦井14301工作面為傾向長壁工作面，為南三采區(qū)第一個回采工作面，北面為杜峪村保護煤柱;南面為14302工作面，未開掘;東面為膠泥壟村保護煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。工作面設(shè)計兩進一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷垂直。軌道順槽1502m（1302+200m），膠帶順槽長1468m，回風順槽長1463m，工作面切眼寬220m（100m+120m），工作面可采長度為1445m，可采面積為0.298km2。地質(zhì)儲量（Qd）為102.2萬t，可采儲量（Qk）為94.3萬t。根據(jù)本采區(qū)已采工作面瓦斯資料情況分析，預(yù)計正常情況下，14301掘進工作面絕對瓦斯涌出量為3～8m3/min之間，遇特殊地質(zhì)條件、會發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象，瞬間瓦斯?jié)舛葧龃蠛脦妆?，給安全生產(chǎn)帶來嚴重隱患，發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象一般在遇小型構(gòu)造附近，煤層產(chǎn)狀、煤層厚度變化大的地段，以及煤層受地質(zhì)應(yīng)力作用變軟或煤層結(jié)構(gòu)遭到破壞的地段。

2煤層群煤與瓦斯共采原理

該煤礦屬于高瓦斯煤層群，瓦斯的含量高，實現(xiàn)煤炭資源安全高效開采必須全面消除煤與瓦斯突出危險性，并降低煤炭資源開采過程中的瓦斯涌出量，使回風流中的瓦斯?jié)舛冗_到《煤礦安全規(guī)程》的要求，實現(xiàn)上述要求的技術(shù)途徑之一是將煤層中的瓦斯抽采出來，從根本上減小煤層瓦斯含量。為抽采井下瓦斯，保證煤炭生產(chǎn)安全，并抽采煤層瓦斯資源，德國RBBH發(fā)明了DDR-1200定向鉆機，這種鉆機用于井下煤礦，在煤炭開采前，沿順煤層頂板及底板巖層進行千米定向鉆孔，對在開采過程中匯集在上鄰近層與下鄰近層的瓦斯進行抽采。本章根據(jù)該煤礦保護層開采后的巖層卸壓情況，結(jié)合DDR-1200型鉆機，研究大孔徑千米定向鉆孔煤與瓦斯共采技術(shù)。

在煤層群的開采中，由于首采煤層采動影響，鄰近的煤巖層將產(chǎn)生卸壓作用，鄰近的煤巖層將產(chǎn)生變形、破壞，裂隙大量發(fā)育，將大幅度提高鄰近煤巖體的透氣性，形成瓦斯“解析-擴散-滲流”的過程，不同的區(qū)域內(nèi)的煤巖體裂隙分布同，瓦斯的解析和滲流的條件不同，應(yīng)根據(jù)條件選擇合理的瓦斯抽采方法，實現(xiàn)瓦斯資源的安全高效開采。瓦斯資源的安全高效開采，減少了鄰近煤層的瓦斯含量，消除了煤與瓦斯突出的危害，同時減少了工作面瓦斯涌出量，為鄰近煤層的安全高效開采創(chuàng)造了有利條件。煤層群煤的開采和瓦斯的抽采相互形成有利條件，形成了煤與瓦斯共采的體系，如圖2所示。

煤層群保護層回采時，瓦斯大量涌出，需要通過瓦斯抽采技術(shù)，抽采本煤層和鄰近煤層的瓦斯。4號煤層回采后，3號煤層處于頂板裂隙帶內(nèi)，3號煤層的卸壓瓦斯沿穿層裂隙涌入保護層的開采空間中，極易造成工作面瓦斯?jié)舛瘸?，給保護層的開次帶來了威脅，因此必須對3號煤層的瓦斯進行抽采，通過在裂隙帶內(nèi)布置鉆孔控制上鄰近層瓦斯涌入保護層。同時，保護層的下鄰近層5號煤層處于4號煤層開采的底鼓變形區(qū)域內(nèi)，大量的瓦斯通過工作面底板裂隙涌入回采工作面造成瓦斯?jié)舛瘸?，底鼓變形帶瓦斯抽采可以有效減少4號煤層的瓦斯涌出量，同時降低5號煤層的瓦斯含量，使高瓦斯突出煤層變?yōu)榈屯咚篃o突煤層，保證了5號煤層的安全高效開采。

通過以上分析，保護層開采時必須進行瓦斯抽采，其瓦斯的抽采一般包括上鄰近層、采空區(qū)高位鉆孔和下鄰近層瓦斯抽采，瓦斯抽采原則如下：（1）上鄰近層瓦斯抽采必須深入到鄰近層卸壓帶內(nèi)，但又要避開冒落帶和大的裂隙帶，一般選擇裂隙帶中部，并選擇在離層裂隙的“O”形圈內(nèi)以免抽放鉆孔大量漏氣，甚至被切斷而使鉆孔失效;（2）高位鉆孔的終孔在垂直方向上位于回采工作面冒落帶的上方，在保證鉆孔成孔完好、不垮孔的前提下，盡量降低抽放鉆孔的布孔層位，在垂直方向上應(yīng)選擇在裂隙帶中下部區(qū)域，沿傾斜方向要選擇在離層裂隙的“O”形圈內(nèi)（在傾向方向上，“O”形圈兩側(cè)的寬度約為80m）;（3）下被保護層處在裂隙帶范圍內(nèi)，下被保護層處在變形帶范圍內(nèi)，可選擇多種方法進行瓦斯抽采，依據(jù)為開采層對被保護層變形影響程度。

3工作面千米定向鉆孔布置方案設(shè)計

3.1上鄰近層鉆孔布置設(shè)計

14301工作面布置4個上鄰近層千米定向鉆孔，垂直距離4號煤層22m左右，4個鉆孔之間垂直距離保持在1～2m的間隔，在水平方向上，鉆孔整體偏向尾巷布置，最外側(cè)鉆孔距工作面回風巷水平距離為15m，鉆孔間距為40m。鉆孔的基本孔徑為170mm，最大孔徑（擴孔孔徑）為220mm，鉆孔深度設(shè)計為1200m，實際進尺將受到鉆進速度和鉆機鉆的性能影響出出現(xiàn)變動。上鄰近層鉆孔抽采布置如圖3所示。

3.2下鄰近層鉆孔布置設(shè)計

14301工作面的下鄰近層鉆孔布置在4號與5號煤層之間，在垂直方向上距離4號煤層底板4～5m，在水平方向上，鉆孔位于工作面的中部，鉆孔間距為40m。鉆孔的基本孔徑為170mm，最大孔徑（擴孔孔徑）為220mm，鉆孔深度設(shè)計為1200m，實際進尺將受到鉆進速度和鉆機鉆的性能影響出出現(xiàn)變動。上鄰近層鉆孔抽采布置如圖4所示。

4結(jié)論

與傳統(tǒng)的采空區(qū)抽放、鄰近層抽放以及高抽巷抽放等綜合抽放方式相比，沙曲煤礦頂?shù)装遄呦蚯足@孔抽采技術(shù)存在如下優(yōu)勢：（1）頂板走向千米鉆孔抽采技術(shù)取代了采空區(qū)抽放、鄰近層抽放及高抽巷抽放綜合抽放方式，減少了高抽巷的掘進量，避免的掘進過程中的煤與瓦斯突出問題，并節(jié)約了抽放管路等材料費用;（2）千米抽采鉆孔均布置在采空區(qū)高瓦斯聚集區(qū)域，其混和抽采量小，抽采濃度高，不但滿足瓦斯利用的濃度要求，而且節(jié)約了抽采運行費用;（3）千米抽采鉆孔的采空區(qū)布置形式，改變了采空區(qū)瓦斯?jié)B流場，減小了采空區(qū)瓦斯涌出，有效解決了綜采面上隅角瓦斯超限難題;（4）千米定向鉆機布置在開拓大巷附近鉆場內(nèi)，可與采區(qū)巷道并行作業(yè)，緩解了高瓦斯突出礦井的采掘接替緊張的難題;（5）千米鉆孔布置在長期穩(wěn)定存在的“O”形圈裂隙區(qū)內(nèi)，即使在綜采面開采完畢后，亦可繼續(xù)抽采，不但加強了對瓦斯清潔能源的利用，亦鄰近層及鄰近工作面開采過程中的瓦斯治理起到一定的作用。

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作者簡介

何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學習和研究。

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：202110977009）。