塔山煤礦大直徑L型高位鉆孔抽放瓦斯技術研究

李維友

（大同煤礦集團有限責任公司通風處，山西 大同 037000）

1 工程背景

同煤集團塔山煤礦三盤區(qū)8301工作面平均煤厚11.66m，由于工作面產(chǎn)量較大，在8301工作面生產(chǎn)期間絕對瓦斯涌出量達到63m3/min，瓦斯問題嚴重威脅工作面安全回采。且由于該面回采的2#煤層賦存不穩(wěn)定、上部有4#煤層采空區(qū)等因素的影響，工作面區(qū)域無法施工頂板抽放巷及地面垂直鉆孔，該面原瓦斯抽放方案為井下鄰巷大直徑鉆孔抽放瓦斯方案，即在與8301工作面回風巷相鄰、距離回風巷30m位置布置一條專用瓦斯抽采巷（該抽放巷前期未與工作面貫通）施工Φ300mm大直徑鉆孔，設計施工Φ300mm鉆孔101組，每組2個，高位孔深72m，低位孔深35m。隨著工作面推進，綜合考慮局部通風系統(tǒng)維護、鄰巷礦壓影響以及煤柱留設與否等實際情況，將工作面通風系統(tǒng)調(diào)整為三巷布置，即將工作面與專用瓦斯抽采巷貫通，工作面由原來的“兩巷布置”變?yōu)椤叭锊贾谩保üぷ髅嫦锏啦贾檬疽鈭D如圖1所示），同時，在8301抽放巷內(nèi)施工高位定向瓦斯抽放鉆孔，工作面采用“以系統(tǒng)風排為基礎，以大直徑L型高位定向鉆孔抽放結合上隅角及尾部架間埋管抽放為主要手段，以端頭封堵等措施輔助”的綜合技術體系治理工作面瓦斯。工作面回采期間，根據(jù)工作面瓦斯治理效果，合理調(diào)整工作面瓦斯治理措施，保證工作面安全回采。

圖1 8301工作面巷道布置示意圖

2 大直徑L型高位鉆孔抽放瓦斯技術參數(shù)分析

2.1 高位定向鉆孔布置及參數(shù)

（1）鉆孔垂直位置確定

8301工作面平均煤厚11.66m，工作面采用綜采放頂煤的采煤方法，采煤高度3.6m，放煤高度為8.06m。根據(jù)垮落后能填滿采空空間的原則，利用式（1）對工作面采空區(qū)平均冒落帶的高度進行估算。

式中：

Hm-冒落帶高度，m；

K1-巖石碎脹系數(shù)，根據(jù)塔山礦頂板巖性實際情況，取1.33；

K2-采空區(qū)遺煤碎脹系數(shù)，根據(jù)塔山礦煤質(zhì)實際情況，取1.5；

h-工作面煤層厚度，m；

C-工作面放頂煤回采率，取90.5%。

根據(jù)上式計算得出8301工作面采空區(qū)冒落帶高度約為41.96m，約為工作面煤層厚度的4倍。若以煤層頂板為準，則煤層頂板以上30m為冒落帶區(qū)域，冒落帶上方為裂隙帶。

8301 工作面采空區(qū)上部裂隙帶高度可按下式（2）計算：

式中：

H-裂隙帶高度，m；

M-工作面采高，m。

根據(jù)上式計算得出8301工作面采空區(qū)裂隙帶高度約為39m。

綜上所述，綜合考慮塔山礦現(xiàn)有瓦斯治理技術及定向鉆孔施工經(jīng)驗，初步設計鉆孔在距工作面煤層頂板15m層位布置，即冒落帶中下部。

（2）水平位置確定

根據(jù)采空區(qū)上覆巖層運動及瓦斯運移的理論分析和通風因素對瓦斯流動的影響，初步設計鉆孔水平方向距回風巷10～50m，即在8301瓦斯巷左右分別布置。如圖2所示。

圖2 高位定向鉆孔布置剖面圖

（3）鉆孔數(shù)量確定

根據(jù)8301工作面瓦斯涌出特點及抽放巷封閉抽放經(jīng)驗，預計高位定向鉆孔抽排瓦斯?jié)舛仍?%以上，預計單孔抽排量最高可達52m3/min（h=50kPa，R=39812N·S2/m4），則抽排量與施工鉆孔個數(shù)的關系如下：

1.12n×60=Q

若按照抽排瓦斯純量不低于15m3/min；

則，施工鉆孔個數(shù)n=5.77≈6個。

（4）鉆場布置

ZYL-15000D分體式千米定向鉆機的外形尺寸為4.2×1.6×1.2m，重量14t，螺旋槽通纜定向鉆桿的規(guī)格為Φ76×3000mm，據(jù)此確定鉆場的尺寸長寬高不小于8.0m×5.0m×3.0m。根據(jù)8301工作面巷道布置的實際情況，需在5301巷采煤幫布置鉆場。

8301 工作面回風巷全長3221m（回風繞道口至工作面切眼距離）。按照鉆孔軌跡可知，鉆孔爬坡距離為127m，有效段設計全長為273m，鉆場布置在8301中間巷采煤幫，規(guī)格均為8.0m×5.0m×3.0m，鉆孔參數(shù)如下表1所示。鉆孔施工工藝：Φ113mm開孔（全孔）→Φ165mm擴孔（全孔）→Φ203mm擴孔（全孔 ）→ Φ245mm擴孔（80m）→注漿固孔（下Φ219mm套管）。

表1 施工鉆孔參數(shù)表

2.2 瓦斯抽放系統(tǒng)布置

（1）抽放泵站及管路

選擇利用三盤區(qū)地面瓦斯抽放泵站內(nèi)的2BEC87型水環(huán)真空泵，單泵額定抽放能力為735m3/min；選擇DN300鋼管作為單孔支管，選擇900mm鋼管作為抽放主管路。鉆孔連接方式：工作面抽放鉆孔與抽放管道的連接是利用DN300膠管連接，膠管的一端連接到鉆孔封孔管上，另一端與抽放瓦斯管道連接，構成抽放系統(tǒng)。根據(jù)塔山礦抽放瓦斯實際情況，主要是抽放采空區(qū)瓦斯，根據(jù)抽放管道內(nèi)涌水特點，設計的放水裝置全部選用自動放水器。

（2）瓦斯抽放系統(tǒng)鋪設線路

支管路：8301抽放巷鉆場內(nèi)鉆孔孔口→8301抽放巷主管路。

主管路：8301抽放巷→8301抽放巷回風繞道→三盤區(qū)回風巷→3～5#層回風聯(lián)巷-1→地面→瓦斯泵站。

3 瓦斯抽采效果分析

2018年8 月2 日，三盤區(qū)地面瓦斯抽放系統(tǒng)井上下管路系統(tǒng)對接完成后，開始組織開啟三盤區(qū)地面瓦斯抽放泵站內(nèi)2#瓦斯泵對8301中間巷內(nèi)高位定向瓦斯抽放鉆孔進行抽放。抽放期間，8301中間巷對應總管路負壓為40kPa，流量為362m3/min，總管路瓦斯?jié)舛?.5%～0.7%，抽排瓦斯純量為工作面絕對瓦斯涌出總量的36.2%，配合其他輔助措施有效解決了綜放工作面瓦斯問題。高位定向瓦斯抽放鉆孔抽放期間，8301工作面未發(fā)生瓦斯超限情況。

高位定向瓦斯抽放鉆孔抽放效果圖如圖3所示。

圖3 高位定向瓦斯抽放鉆孔抽放效果圖

4 結論

（1）大直徑“L”型鉆孔抽采瓦斯方案為低瓦斯高涌出高強度開采框架帶瓦斯治理提供了技術支撐。

（2）通過井下大直徑“L”型鉆孔抽采瓦斯，提高了8301工作面瓦斯抽采效率和工作面推進速度，因瓦斯超限造成工作面停產(chǎn)現(xiàn)象得以控制，提高了工作面產(chǎn)量，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。