摘要：目前，我国矿井瓦斯治理工作大多采取大面积施工抽放钻孔的形式，如煤层钻孔和跨层钻孔、高位抽放钻孔和防突钻孔等。这些钻孔基本上直接基于煤层中的间隙，以实现瓦斯排放的提取。钻井施工的主要目的是促进气体的有效排放。因此，钻井任务本身具有一定的单一性。长期的开采经验表明，利用专业技术知识不断收集和分析相关钻孔数据有助于深入了解瓦斯抽放钻孔数据的内容。本文针对煤矿高位钻孔瓦斯抽采效果主要影响因素开展分析。
关键词：煤矿；高位钻孔；瓦斯抽采
引言
影响煤矿高位钻孔瓦斯抽采效果的主要因素包括：顶板岩性构造和地质构造；钻孔施工及封孔质量、钻场间距与抽放效率关系以及抽放负压。为使煤矿高位钻孔作业不受瓦斯安全事故威胁，研究人员应将上述因素作为优化控制重点，即结合煤矿开采作业面的地质条件，来确定钻孔瓦斯抽放作业方案。
1、高位钻孔抽采技术
1.1工作面高位钻孔布置层位研究
从某瓦斯预测结果可以看出，工作面的采空区瓦斯涌出量要高于工作面本身瓦斯涌出量，而工作面瓦斯被工作面风流迅速稀释，因此，控制采空区瓦斯涌出即成为了治理上隅角超限问题的关键。根据该矿地质条件与瓦斯涌出量综合分析，决定采高位抽放钻孔抽采方法治理采空区瓦斯涌出，从而达到控制上隅角瓦斯超限的目的。高位钻孔抽放采空区瓦斯的原理是利用采空区上覆岩层向下移动和裂隙发育规律，增大了上覆岩层的透气性，使采空区瓦斯沿裂隙进入抽放管路。采空区上覆岩层向下移动产生的裂隙沿垂向方向由直接顶、基本顶逐渐向上发育。
随着工作面向前推进，冒落拱的位置也逐渐向前移动，但始终保持一定的距离，冒落拱从垮落到最终形成需要一定时间。冒落拱虽然在各方向上发育都较好，但综合来看，垂向角度裂隙连通性要更好。从这个特点出发，为了增加抽采效率，减小瓦斯流动阻力，高位钻孔应布置在低层位，位于在裂隙带的中下部岩层内。具体布置工作面高位钻孔布置见图1。
图1高位钻孔抽放采空区瓦斯
1.2高位钻孔合理的布孔参数
1.21钻孔有效高度计算
随着采煤工作面的推移和采空区范围的扩大，钻场设计的准则是提高钻孔的有效利用率，同时还应考虑到施工的困难程度，由于钻孔终孔位置应位于在冒落带的上部与裂隙带中下部，最终方案为:钻场布置在回风巷内靠近采煤工作面一侧，沿煤层向顶板方向掘一小斜井至顶板后在顶板岩层中，设计钻场规格为3．0m×3．0m×2．0m。
1.2.2钻场内合理钻孔数量
增加钻孔数量在一定程度上可以减小采空区瓦斯含量，但也相应的增加了打钻作业的工作量。钻场内合理的钻孔数量需要通过计算来确定，与需要抽放的瓦斯总量、抽放瓦斯的目标浓度、钻孔封孔管的直径等因素相关，由下式计算可得:
式中，N为设计钻孔数量，个;Q为保证上隅角瓦斯不超限，通过高位钻孔钻场抽放的目标抽放总量，m3/min;D为抽放钻孔封孔管直径，mm;V为封孔管内瓦斯流动速度，m/s;C为抽放管内瓦斯的平均浓度，%。根据上述矿井瓦斯涌出量预测结果进行计算，再考虑到瓦斯异常涌出状况的存在，和钻进过程中切孔、垮孔等废孔的存在，通过计算，每个钻场内计划布置8个钻孔。
1.2.3钻孔的封孔深度
钻孔的封孔原则:封孔能够保证与空气隔绝，同时也尽量缩短封孔的长度，从以往的经验来看，岩孔的封孔长度应不小于5m，煤孔的封孔长度应不小于8m;经过青瓷窑煤矿的多次现试验，高位钻孔的合理封孔深度为8m，才能够达预期的效果;此外，同一钻场的各个钻孔的封孔深度应该尽量相等，从而避免抽放启动或终止时由于钻孔长度不等，在裂隙带中形成的气流涡流，影响瓦斯抽放的效果。
2、影响煤矿高位钻孔瓦斯抽采效果的主要因素
经钻孔瓦斯抽采后，高位钻孔顶板钻孔布置实现了以来的瓦斯零超限。而且，还从基本上消除了上隅角的瓦斯超限问题。此过程，产生影响的因素主要集中在以下几个方面：
抽放负压，对于钻孔而言，瓦斯抽放负压越大，抽放量就越大。当负压达到固定值后，负压即使增加，钻孔抽放量也不会出现明显增加问题。从关系角度来看，抽放负压应控制在30~45kPa之间，才可达到预期效果。如瓦斯抽放负压达到25kPa，负压的增加会对钻孔抽放量造成影响。为此，煤矿抽采人员可根据抽放浓度高低与抽放负压情况调整，以保证移动泵对外抽采量、抽采负压以及钻孔抽采参数相吻合，以获取最佳的抽采效果。由于不同钻孔间距每米钻孔的瓦斯抽放量不同，因此，煤矿高位钻孔瓦斯抽采的有效控制，应控制好钻场距离、钻孔抽放距离所占比例。这是因为，钻场距离过大，钻孔施工与维护工作开展都会受到影响。故而，瓦斯抽采效果控制人员应根据实际工作面的情况与生产建设条件，来对钻场间距进行科学合理控制。
钻孔施工及封孔质量，煤矿高位钻场的钻孔施工，应将钻孔方位与角度作为质量控制重点。具体过程，因钻头与导向套间存在间隙，所以，钻头钻削其中心就会发生一个偏移量。再加上钻孔长度超出了100m，虽然钻进过程发生的位移不可避免，但无法保证以初始确定方向直至终孔。要想满足施工质量控制要求，需将最大偏移量控制在允许范围内。工程目前采用的导向杆虽能够达到瓦斯抽放控制效果，但封孔质量，也是对抽排效果造成影响的重要因素。究其原因，钻孔封孔质量无法达到预期，容易出现串孔现象，进而降低煤矿高位钻孔瓦斯的抽放效果。
顶板岩性构造和地质构造。由于煤矿顶板岩性的构造特点会对顶板走向钻孔瓦斯抽放效果带来影响，因此，可通过沟通顶板裂隙与采空区来提高抽放效果。相反，如煤矿顶板走向孔与采空区沟通较难，钻孔的透气性就差，顶板走向钻孔的分布层位就无法保证精确性。与煤层顶板距离12m上下存在一层13.77m的厚层火成岩，其发育多为垂直裂隙。当煤层开采时，裂隙就可实现采动裂隙与采空区的沟通。此问题背景下，因老顶垮落的特征，岩体断裂容易形成砌体梁，进而导致岩体中下部裂隙宽度较大且渗透性强。故而，煤矿高位钻孔瓦斯应将钻孔位置，确定为火成岩的中下部，才能保证瓦斯抽采效果。此外，煤矿开采工作面的顶板断层发育，也会影响高位钻孔瓦斯抽放。即，当开采遭遇断层，其发育会使钻孔和采煤工作面进行直接沟通。具体操作过程，如有大量空气涌入钻孔，也会影响瓦斯抽采效果。故而，相关人员应在固定的工作面距离上，使钻孔断层下盘裂隙与工作面直接沟通，以降低钻孔抽放瓦斯的浓度。
结束语
煤矿资源的开发建设不可避免的会对所处的环境带来影响，其中瓦斯，作为降低煤矿高位钻孔安全性、资源利用率的关键因素，使得抽采、抽放成为了控制生产建设效率必不可少的工作内容。然而，当前采用的瓦斯事故防治措施无法起到预期作用，导致瓦斯无法从煤矿生产建设过程中根本排除。为此，研究人员应结合实际煤矿高位钻孔工程建设情况，对影响瓦斯抽放的主要因素进行分析，以为后续的生产建设安全性与资源利用率提供保证。如此，随着开采深度的不断增加，瓦斯的影响就可得到科学有效的控制。
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论文作者:关龙龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：钻孔论文; 瓦斯论文; 高位论文; 采空区论文; 煤矿论文; 工作面论文; 裂隙论文; 《电力设备》2019年第9期论文;