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特厚煤层瓦斯治理中的高位钻孔技术分析
摘要：特厚煤层地形地质条件繁琐复杂，高地应力下的掘进作业会使得周围煤层及围岩产生大量的瓦斯，浸入和渗透到工作面中，尤其是随着开采厚度和强度的逐渐加深，引发回采中更多的瓦斯涌出量，稍有不慎，极易埋下安全隐患。鉴于特厚煤层瓦斯治理的重要性，以某煤矿工程为例，根据综合工作面的瓦斯涌出量，创建具有可行性和针对性的瓦斯综合治理策略，依托于高位钻孔技术优势价值，采用“双钻场”抽采采空区瓦斯，切实提升日平均瓦斯抽采纯量，更加确保工作面的安全生产，望本文为相关研究提供借鉴。
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矿井安全是高效生产的前提和基础，瓦斯事故的发生给人们敲响了警钟，势必要重视煤层工作面生产作业中的瓦斯治理工作。特厚煤层瓦斯治理具有综放开采产量集中、瓦斯散发覆盖面广和极易积聚的特点，尤其是工作面后残留的瓦斯会随着顶煤的冒落，加大瓦斯安全问题[1]。因此，需要结合特厚煤层实际情况，深入开展瓦斯灾害治理技术。高位钻孔技术是指在回风巷向煤层顶板施工的钻孔，处理和解决上隅角、回风流瓦斯超限等问题。本文借鉴相关学者提出的技术观点，丰富煤矿工程研究的理论根基。
1、工程概况
某煤矿工程综放工作面为一采区（8、9合区煤层），即为T2195，整个工作面的走向长度和倾斜长度分别是900m、120m（煤厚平均10m），倾斜角度12°（平均值），北面具有4个工作面采空区（2792、2794、3692、3694、3696），南面和西面是待开采的区域，东面是风井保护煤柱；T2195综放工作面上方区域是2155采空区，呈现出斜穿工作面的构造。
工作面掘进中，为保持通风顺畅，采取“U+L”型的通风方式（保持风量13.76m3/s），实施回采作业前，于泄瓦斯通道进行钻孔，运用采前预抽的方式，将瓦斯抽放体控制在55%～65%的浓度；实际回采作业中，存在瓦斯涌出超标情况，这种瓦斯超限直接危及煤矿生产和工作人员生命财产，还埋下较高的安全隐患；最大时，工作面瓦斯风流、瓦斯进风角、瓦斯回风上角、瓦斯风道回风、瓦斯泄道回风分别是1.2%、3%、5%、2.6%、1.2%。经过评估和预测，瓦斯主要来源于整体构造、采空区、顶板施工和工作面煤层等，瓦斯异常涌出的影响因素包括生产工艺、周期来压、相邻采空区、大气压力、辅助风道通风断面等[2]。
2、高位钻孔技术原理
高位钻孔技术主要是利用动力应场中采空区冒落形成的裂隙空间，科学布置裂隙空间为瓦斯流动涌道，在抽放负压条件下使瓦斯流向钻孔，进而抽出大面积的瓦斯，避免产生上隅角、回风流等位置瓦斯超限现象[3]。本工程根据这一技术原理，创建工作面瓦斯涌出量预测、瓦斯综合治理方案。
高位钻孔技术在采空区覆岩离层裂隙实施，始终贯彻在煤层开采作业的全程，从初期的开切眼，逐渐渗透到关键词的垮落，掘进中工作面应稳固推进，离层间隙在岩层移动作用下，实现自上而下扩大和延伸。值得注意的是，关键层下的离层间隙穿越各个区域如始动区、扩展区等，离层量从小到大发展，达到最大值后，关键层的下沉速率加快，期间下沉速率超出软岩层的下沉速率，伴随着不断的下沉动态，完成关键屋初次垮落的全过程，此时关键层下方的离层间隙会在过渡到闭合区，而相应的离层量开始降低。采空区中部离层裂隙逐渐呈现为压实状态，整个四周伴有发育区，具有横向连通的特点，即为采动裂隙“0”形圈。
此外，切眼外侧的离层区相对比较稳固，不易发生变化，但整个工作面四周的离层区，会在掘进作业及技术形式下大幅迁移，这种“0”形圈长时间内存在。而高位钻孔技术就是在这种条件下，根据其技术原理，构建卸压瓦斯的储存空间与流动通道。因此，高位钻孔技术的实施与执行，需明确瓦斯抽放参数、钻孔高度（有效高度）、钻场长度（有效长度）、钻孔角度、夹角、孔口间距、钻孔速度等参数，保持较高的钻孔效率，由于采空区环境恶劣复杂、井下通风条件差，采用该技术逐步处理和解决邻近层、采空区的瓦斯抽采难题，以此降低开采作业难度，高质高效地完成煤矿瓦斯抽采工作。
3、高位钻孔技术实施方案
3.1 工作面巷道布置
T2195工作面属于特厚煤层，部署进风巷和回风巷，两者沿着煤层底板排列，回采放煤后，创设采空区大范围的冒高空间，而在工作面的切顶线内，形成瓦斯堆积现象（瓦斯云）。
为保障正常的采空区瓦斯泄放，根据工作面构造，设置相应的泄瓦斯巷，需要注意的是，泄瓦斯巷和回风巷两者之间需要保持平行（内错约为11～15m），从而稀释采空区、上隅角等部位的瓦斯。该工作面的掘进中，采空区顶板呈现逐渐垮落态势，泄瓦斯巷在通风负压条件下，将采空区中流动的瓦斯加以稀释和排泄，真正发挥泄放瓦斯作用。所有风道中每55～75m处，设有若干个与泄瓦斯巷的联络眼（调节配风量），控制瓦斯体积分数不超过1.5%，为推进安全生产作业高效开展，两风巷（进风巷和回风巷）和泄瓦斯巷的断面设计分别是14m2、10m2，具体布置见图1。
图1 T2195工作面进风巷、回风巷、泄瓦斯巷的布置框架结构
3.2 工作面通风方式及配风量的确定
T2195工作面的通风方式呈现“U+L”型，即为“一进两回”，分别是进风巷、回风巷、泄瓦斯巷[4]。考虑到采空区瓦斯涌出明显（占比超出60%），瓦斯与工作面风量增加而增加，但不会出现线性降低线性。如果风量加剧到一定范围，绝对瓦斯涌出速率大幅上涨，究其原因，在于进风巷和回风巷两端的压差值变大，使得采空区大量浸入到采场区域，也就是说，采空区的漏风反而加大瓦斯含量。
经过反复试验测定，通过对工作面配风量的计算，其中绝对瓦斯涌出量需要超出5m3/min，该工作面瓦斯涌出量控制在6.1～8.4m3/min，工作面配风量控制在950～1190m3/min。工作面瓦斯涌出量预测工作，为瓦斯抽采、通风布置和高位钻孔技术实施提供基础参数，由于瓦斯涌出量计算中，受到环境和技术因素影响，所以根据瓦斯来源性质及特点，明确本工程矿井瓦斯涌出源汇关系[5]。
3.2 高位钻孔技术实施流程
通过对T2195工作面的瓦斯涌出量预测，产量按10000t/d计算，采空区瓦斯涌出量为23.63m3/min，煤壁和采煤机落煤的瓦斯涌出比率66.15%，开采中邻近煤层和围岩瓦斯涌出比率33.85%。该工作面实施综放开采，为降低瓦斯涌出含量，确保矿井正常通风，规范高位钻孔的技术措施。
除了采取顶板穿岩层、相邻采空区抽放（或埋管抽放）、泄瓦斯巷道封闭抽放等策略外，针对高位钻孔抽放，包括做瓦斯钻道道施工高位钻孔和在泄瓦斯巷内施工高位钻孔两方面设计[6]。
3.2.1 做瓦斯钻道道施工高位钻孔
邻近的T2194工作面辅助做瓦斯钻道（210m），结合瓦斯抽放钻道的试验，对T2195工作面（采空区和未采区）周围实施钻孔抽放，汇总和分析抽放工作及经验。
T2195工作面回采后，其上方覆盖的煤层出现落带、裂隙带和歪曲下沉带，若是高位钻孔太低，终孔处在采空区冒落带，会加大漏风概率，引发瓦斯抽放效果差的问题；如果高位钻孔太高，致使其流量太小，阻碍和制约瓦斯抽放进程。为从多视角保障采空区裂隙带的瓦斯抽放效果，经过试验探索将高位钻孔设计终孔布置在裂隙带（冒落带上方2.5～4.5m），还可以结合具体情况，适当增加2～3个冒落带钻孔。
T2195工作面（煤层平均厚度10m），回采后冒落带的高度增至3倍（30m），裂隙带高度采高3～6倍（30～60m）。T2195工作面钻孔设计为钻场5个（钻孔仰角1315°），孔深、开孔、终孔分别是6169m、φ108mm、φ75mm。结合工程实际情况，运用水泥砂浆封孔工艺（封孔深度5.1～9.9m），总计终孔钻孔（20个）参数，详见表1。
3.2.2 泄瓦斯巷内施工高位钻孔
沿着泄瓦斯巷从内至外实施钻孔一组（3个钻孔，呈放射状），保持间距50m，钻孔设置在裂隙带（冒落带以上2.1～4.9m），孔深是81～99m、开孔、终孔与做瓦斯钻道道施工高位钻孔相同（φ108mm、φ75mm），联合水泥砂浆封孔工艺（封孔深度6～9m），每3个钻孔施工结束后，及时使用胶管和瓦斯管道高效衔接，若是工作面回采符合钻孔控制规模，灵活运用地面瓦斯抽放泵、移动泵等，使各工作面综放开采逐渐外移[7]。
4、治理效果
经过对T2194和T2195工作面实施高位钻孔技术，为安全生产提供高效保障，产量从综合治理前的10000t/d提升到30000t/d～50000t/d。
T2195工作面还去除了风车工具，最大化小车瓦斯银行，有利于工作面回采过程。这种“双钻场”高位钻孔，使回风流、回风隅角的瓦斯浓度更加稳定可控，持续推进高效安全生产作业[8,9]。
5、结束语
通过对T2195工作面采取高位钻孔技术方案，安全生产的原煤产量显著提高（治理前的10000t/d提升到30000t/d～50000t/d），改善了瓦斯治理的效果；经过对工作面特厚煤层实施高位钻孔技术，在科学布置、综合治理等措施下，整个工作面瓦斯含量大幅降低，有效规避瓦斯超限的隐患，为高效安全生产提供技术保障；经过对高位钻孔施工技术的实践与运用，真正提高工作面“一通三防”的管理水平，达到安全作业和高产高效的目标。
表1 T2195工作面钻道施工钻孔参数
参考文献:
[1]赵和平,王向东.基于“三区联动”的近距离突出煤层群区域瓦斯治理技术体系研究[J].煤炭技术,2022,41(9):138-142.
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[8]王依磊.高位钻孔技术在特厚煤层瓦斯治理中的应用[J].煤矿安全,2017,48(1):120-122.
[9]刘军,汪长明.特厚煤层瓦斯综合治理技术及效果分析[J].煤矿安全,2018,49(1):85-88.
文章来源:张哲.特厚煤层瓦斯治理中的高位钻孔技术分析[J].矿业装备,2023(12):63-65.
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2024-06-03我要评论
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2023-12-06
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