工作面动压区顺层钻孔瓦斯抽采设计优化.pdf

872020 年第 7 期 工作面动压区顺层钻孔瓦斯抽采设计优化 郭四龙 （山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400） 摘 要 为提高工作面动压区顺层瓦斯抽放钻孔的抽放效果，设计顺层平行抽放钻孔和扇形抽放钻孔参数，通过对比分 析可知抽放钻孔采取扇形布置后，工作面动压区内有效钻孔抽采数量增加了 2 倍，动压区瓦斯抽采量提高了 46。扇形 布置钻孔起到采空区抽放和动压区抽放双重作用，钻孔抽采周期提高了 3 倍。 关键词 厚煤层 采煤工作面 顺层钻孔 扇形布置 瓦斯抽采 中图分类号 TD712.6 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.07.033 Design Optimization of Gas Drainage by Drilling along Seam in Dynamic Pressure Area of Working Face Guo Si-long （Bafang Coal Mine Branch, Shanxi Orchid Technology Venture Co., Ltd., Shanxi Gaoping 048400） Abstract In order to improve the drainage effect of bedding gas drainage boreholes in the dynamic pressure area of working face, the parameters of parallel drainage boreholes and fan-shaped drainage boreholes are designed. Through comparative analysis, it can be seen that after the fan-shaped drainage holes are adopted, the number of effective boreholes in the dynamic pressure area of the working face is increased by 2 times, and the gas drainage amount in the dynamic pressure area is increased by 46. The fan-shaped boreholes play a dual role in goaf drainage and dynamic pressure area drainage, and the drilling cycle is increased by 3 times. Key words thick coal seam coal face bedding drilling fan pattern gas drainage 收稿日期 2020-02-08 作者简介 郭四龙（1987-），男，山西高平市人，工程师，现 在山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司从事瓦斯抽 放技术管理工作。 回采工作面瓦斯涌出量是影响工作面高效生产 的主要因素之一。为了降低工作面瓦斯涌出量，提 高工作面生产效率，工作面回采期间采取采空区和 动压区瓦斯抽采措施，已成为瓦斯治理的主要措施 类型之一 [1-3]。但由于顶板岩性、采煤工艺、矿井地 质等条件差异，动压区钻孔的控制范围、钻孔密度、 钻场的布局等设计过程中的量化指标难以确定，进 而影响工作面生产效率的提高。针对上述问题，以 伯方煤矿 3205 工作面为工程对象，根据工作面动 压区影响范围，通过研究不同布置方式的顺层钻孔 的抽放效果，确定动压区钻孔布孔方式和钻孔设计 的量化指标，对保证工作面顺层钻孔抽采瓦斯效果 具有重要意义。 1 工作面概况 兰花集团伯方煤矿 3205 综放工作面设计走向 长度为 1380m，倾斜长为 158m，工作面位于该矿 二盘区，东侧为二盘区轨道巷、运输巷和回风巷， 南部和北部分别为 3203 和 3207 工作面。3205 工 作面回采山西组 3煤层，该煤层平均厚度 5.3m， 煤层平均倾角为 4，区域内煤层赋存稳定。工作 面沿煤层底板回采，采高 2m，放煤厚度 3.3m。工 作面直接顶为厚 5.5m 的粉砂岩，老顶为厚 4.5m 的 中粒砂岩，直接底为厚 1.5m 的细砂岩，老底为厚 4.3m 的砂质泥岩。工作面内煤层瓦斯含量测试点 21 个，含量值 3.055.72m3/t，瓦斯最大绝对涌出 量为7.75 m3/min。 根据矿井已回采工作面开采经验， 工作面前方动压区范围为 050m。 2 动压区原钻孔设计及抽采效果分析 2.1 钻孔设计 3205 工作面动压区抽采采用顺层钻孔抽采。钻 孔设计沿工作面煤层倾向垂直于巷帮施工，每 3m 一组，一组 2 个钻孔，终孔间距 3m，上下顺槽钻 孔交叉长度为 10m，孔径 94mm，封孔管采用直径 882020 年第 7 期 50mm 双抗管，全孔深护孔。钻孔设计如图 1 所示。 图 1 回采工作面动压区顺层钻孔设计对比图 2.2 抽采效果分析 原抽采设计方案下，回采工作面动压区顺层平 行钻孔瓦斯抽采情况如表 1 所示，瓦斯抽采与切巷 间距关系如图 2 所示。由表 1 和图 2 可知工作面 切巷外回采方向 1518m 处动压区钻孔抽放浓度及 流量下降区域明显，18m 以外钻孔瓦斯流量降到最 低，虽然钻孔保持一定的瓦斯浓度，但已失去瓦斯 抽采的意义。由此可见回采工作面动压影响区域为 沿回采方向 15m 范围。经对表 1 中数据统计，工作 面回采期间动压区内钻孔总瓦斯抽采量约为 1.68m3/ min，钻孔瓦斯抽采效率较低。据此可知由于工 作面动压区范围影响有限，动压区内随着工作面推 进，导致钻孔抽采周期简短，每天按 2.5m 推进度 计算，一个钻孔抽采周期只有 6d，且动压区内钻孔 数量只有 20 个。 表 1 回采工作面动压区顺层平行钻孔瓦斯抽采情况 距切巷间距 （m） 36912151821242730333639 钻孔浓度 （） 16.44236.834.228.610.25.67.26.85.4674.8 钻孔流量 （m3/min） 0.420.500.420.240.040.020.020.010.010000 图 2 动压区顺层平行钻孔瓦斯抽采与切巷间距关系图 3 动压区抽采钻孔优化设计及其效果 3.1 钻孔优化设计 针对动压区顺层平行钻孔抽采周期短、实际起 到作用的钻孔较少等问题，根据工作面现场条件， 对工作面动压区钻孔进行优化设计。设计在工作面 上下顺槽钻孔内布置扇形钻孔，钻孔沿煤层顶板施 工，每组 2 个钻孔控制整个工作面动压区以及部分 采空区区域，每组钻孔终孔间距 58m（根据现场 施工条件确定），钻孔孔径及封孔要求同上（钻孔 布置图如图 1 所示）。 3.2 抽采效果分析 经过对 3205 工作面动压区顺层平行钻孔瓦斯 抽采跟踪测试及统计得出以下基础数据，如表 2 和 图 3 所示。由表 2 和图 3 可知工作面动压区抽采 钻孔采用扇形钻孔布置，瓦斯抽放量和控制范围均 有明显提高，当钻场距切巷 406m 之间时，瓦斯抽 放总量达到 2m3/min 以上，且在 3520m 之间达到 峰值的 3m3/min 以上。这是由于扇形钻孔沿煤层顶 板布置，在工作面回采期间（沿煤层底板回采，采 高 2m，煤厚 5.5m）部分顺层钻孔同时起到采空区 抽放和动压区抽放双重作用，致使抽放量和抽放周 期均有较大的提高。 通过对比分析可知对工作面动压区顺层钻孔 优化设计后，动压区内有效钻孔抽采数量增加了 2 倍，动压区瓦斯抽放量平均值由 1.68m3/min 提高到 了 2.45m3/min，抽采量提高了 46。由于钻孔沿煤 层顶板施工，回采期间部分顺层钻孔同时起到采空 区抽放和动压区抽放双重作用，最终使得钻孔抽采 周期延长到了 18d，抽采周期提高了 3 倍。 表 2 回采工作面动压区顺层扇形钻孔瓦斯抽采情况 钻场距切巷间距 （m） 5044403631262016126 钻场抽放瓦斯浓度 （） 8.412.61624.832.6382014.616.810.4 钻场抽放瓦斯流量 （m3/min） 0.821.211.872.943.453.323.153.172.641.97 （下转第 91 页） 912020 年第 7 期 表 1 束管分析报表 日期 时间 CO/ ppm CO2 / CH4 / C2H4 /ppm C2H6 / ppm O2 / 9.25 早11560.0427.1263.923471.06 9.26 早8800.0427.58288.126350.14 9.27 早00.041.77077.071.17 9.27 早00.041.79074.291.1 9.27 中5160.0427.21258.223250.6 9.28 早4460.0425.19204.519571.68 9.28 中3990.0427243.223480.25 9.28 夜3790.0427.23257.324950.11 9.29 早2820.0425.96198.619731.42 9.29 中2460.0426.66215.221850.67 9.29 夜1880.0427.56229.723130.33 9.30 早1690.0425.79193.918821.58 9.30 中1340.0426.58224.522560.95 9.30 夜1060.1927.09225.122860.66 10.1 早850.0426.63206.121111 10.1 中470.0425.08189.719422.44 10.2 早300.0526.23221.722851.28 10.3 早70.0511.460505.91.02 10.4 早00.194.030139.51.19 4 结语 防冲卸压爆破应尽可能地减少对采空区防治自 然发火的影响。 （1）冲击地压矿井应从整体采区及工作面设 计上将综放工作面停采线外巷道、集中巷等主要风 巷布置在岩层中，避免布置在煤层中因卸压造成的 自然发火干扰因素。 （2）永久性密闭墙布置在煤巷中的应采取以 下措施防止卸压与密闭内自然发火耦合。 ① 永久性密闭墙附近不应有爆破活动，卸压造 成的空洞应及时采取措施进行封堵，否则应考虑爆 破对周边巷道的破坏以及可能产生新的裂隙造成漏 风，采取措施防止采空区发火、瓦斯爆炸、冲毁密 闭墙。 ② 永久性密闭墙内空巷充填后仍存在一些空 隙，密闭墙外巷道失修，采用锚网支护修复后需采 取喷浆封闭围岩，防止漏风。 ③ 永久性密闭墙附近施工卸压大孔等活动，应 避开巷道压力和支护影响区域，防止大孔与巷道裂 隙沟通产生漏风。 ④ 与采空区连通的密闭墙布置在煤层中时充填 空巷长度不低于 20m，且应充实顶板破碎区。 （3）深部矿产资源的开采面临着冲击地压、 自然发火、高温等难题。冲击地压防治与管控大部 分通过煤体卸压的手段来实施，但卸压爆破作业残 留的气体极易与煤体自然发火的指标性气体混淆。 冲击地压矿井密闭墙内忽然出现高浓度一氧化碳及 乙烯等自然发火指标性气体时应进行认真分析，优 先考虑卸压爆破的影响。 图 3 动压区顺层扇形钻孔瓦斯抽采与切巷间距关系图 4 结论 （1）3205 回采工作面厚煤区动压区抽放采用 扇形顺层钻孔布置，钻孔沿煤层顶板施工，能起到 动压区和采空区双重抽放作用，动压区瓦斯抽放量 平均值由 1.68m3/min 提高到了 2.45m3/min，扇形钻 孔抽放量是平行钻孔的 1.5 倍，单孔抽放周期提高 3 倍。 （2）工作面钻场间距根据钻孔施工条件确定， 一般45m为宜， 每组钻孔间距不宜过小， 58m为宜。 【参考文献】 ［1］ 暴雨 . 高抽巷合理层位研究及分期配抽采空区瓦 斯技术 [J]. 能源与环保，2018，40（05）55- 5863. ［2］ 马国龙，张庆华 . 顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺改进 及应用 [J]. 能源与环保，2017，39（07）23-27. ［3］ 王亚洲，孙锐 . 平舒矿顺层预抽钻孔瓦斯抽采 半径考察及主要影响因素分析 [J]. 中国煤炭， 2018，44（08）130-133． （上接第 88 页）