顺层钻孔抽采瓦斯影响因素分析

(河南能源义煤公司新义矿业有限公司，河南 洛阳 471000)

0 引言

新义矿业公司为煤与瓦斯突出矿井，可采煤层为二1煤层。由于煤层埋深较大，煤厚变化较大，松软破碎，透气性差，回采煤层厚度变化较大，煤层厚度平均5.11 m，容重1.46 T/m3，煤层为III-IV 构造软煤，瓦斯放散初速度ΔP值在15.0～28.0之间，煤层煤体坚固性系数f值在0.22～0.65之间，平均值为0.35。关于矿井的瓦斯处理方式的选择为穿层钻孔+顺层钻孔抽采相结合的方式，在实际生产过程中为进一步提高抽采效率，本研究对于抽采的负压时间、钻孔相关参数及钻孔的密度等相关参数进行了优化，选择相对合理的抽采参数从而有效提高抽采效率。

1 顺层钻孔预抽区域煤层瓦斯区域技术

为保障工作面抽采达标，在工作面轨道、运输顺槽掘进过程中，分别长距离顺层钻孔，预抽回采区域煤层瓦斯的区域防突措施。根据资料可知，新义矿业瓦斯抽采半径为R/2 m，抽放钻孔布置在工作面轨道和顺槽靠工作面一侧的巷帮，钻孔直径94 mm，间排距2 000 mm×400 mm。根据煤层实际厚度分别在掘进巷道的回采侧每隔2 m 施工一列1～3个长钻孔，钻径94 mm，孔深60 m，两侧钻孔交叉不小于5 m，杜绝出现空白带，顺层回采区域抽放钻孔布置如图1所示。

图1 顺层回采区域抽放钻孔布置图

2 顺层钻孔抽采影响因素分析

2.1 抽采负压

抽采钻孔负压对钻孔内瓦斯的流动起2个方面的作用，一是给瓦斯提供导流作用，二是拦截瓦斯流。提高钻孔的抽采负压，可以使煤层中的部分游离瓦斯转向流入抽采钻孔，增大顺层钻孔的瓦斯抽采量。然而，这主要是针对处于巷道卸压带的抽采钻孔而言的。该区域的煤岩体在矿山压力作用下被破坏，围岩透气系数增大，瓦斯压力降低。提高抽采负压可扩大钻孔抽采瓦斯的范围，截取流向巷道的瓦斯，从而增大钻孔瓦斯抽采量[1-2]。因瓦斯抽采泵提供的抽采负压多为几十千帕，大大低于一个大气压，对于抽采钻孔内的瓦斯压力几兆帕而言可以忽略不计。因此，增大负压对提高顺层钻孔瓦斯抽采效果非常有限。另外，在钻孔封孔条件不佳的情况下，提高抽采负压可使巷道内的空气通过煤层裂隙进入钻孔，并流入抽采管路，造成瓦斯抽采浓度下降，降低了瓦斯抽采效果。

现阶段矿井的整体瓦斯抽采负压值偏低，在工作过程中钻孔的负压差基本上在550 mmHg以下，换算成标准大气压仅为0.006 MPa，而导致这一数值较低的原因不能完全归咎于抽放管路的抽放能力较差。因此，为了进一步提升矿井钻孔抽采效果，需要对负压值进行及时的调节，可以通过降低负压来保证整个矿井的瓦斯浓度处于安全范围之内，因此负压抽采并不是决定抽采效果的重要因素。

2.2 抽采时间

随着抽采时间的延长，抽采钻孔的瓦斯涌出强度逐步衰减，瓦斯抽采量在一定时间内随着抽采时间的延长而逐渐增大。因为抽采钻孔的瓦斯流场为非稳定场，超过一定时间后随着抽采时间的延长，钻孔抽采瓦斯量将逐渐降低，从而失去抽采意义。对于低透气性煤层而言，因瓦斯涌出衰减系数较大，增加抽采时间对增大抽采量的影响较小；同时考虑到矿井的生产情况和接替关系，也不允许有太长的抽采时间。为了提高钻孔瓦斯抽采效率，必须保证合理的抽采时间。《煤矿安全规程》第一百九十条规定：突出煤层瓦斯预抽率应大于30%，因此，确定二1煤层钻孔必要的预抽时间选为6个月，以达到“消除危险”“应抽尽抽”的作用。

2.3 钻孔直径

钻孔直径越大，瓦斯抽采量越大。这是由于大直径钻孔增加了煤壁暴露面积和钻孔周边煤体的卸压范围，可以在一定程度上提高瓦斯抽采量。实践表明，加大钻孔直径在短时间内能呈现一些效果，在长时间内对提高钻孔瓦斯抽采量影响并不明显。况且大直径钻孔的施工会使钻机钻进的负荷成几何倍数增加，同时大直径钻孔易发生垮孔和排渣困难。因此，在采取增大钻孔直径的措施时，需要综合考虑矿井和煤层的实际情况。

2.4 封孔工艺

井下钻孔封孔效果差，抽采浓度低是瓦斯抽采存在的主要问题，大大影响了瓦斯的综合利用。影响钻孔瓦斯抽采浓度的关键问题是钻孔孔口的封孔质量，在保证孔内有足够的瓦斯源的基础上，只有确保良好的封孔质量，才能抽出高浓度瓦斯。在此基础上，一定程度地增大封孔长度，并使用带压注浆封孔，可以在保证瓦斯浓度的基础上，有效提高瓦斯抽采量，从而提高了瓦斯抽采效果。目前该矿井下常用的封孔工艺仍为聚氨酯两堵一注封孔带压封孔方式，注浆压力0.3 MPa，封孔长度12 m，能够有效保证封孔的质量，初始抽采瓦斯浓度80%以上，6个月后仍能保证在50%以上。

2.5 钻孔密度

在一定的抽采时间内，每个钻孔都有一个自己控制的瓦斯流场，在各个钻孔的流场互相干扰较小时，增大钻孔的密度可提高煤层的瓦斯抽采量。对于低透气性煤层而言，各个钻孔控制的瓦斯流场范围比较小，随着抽采时间的增加，流场的扩展范围增加较小，因此增加钻孔的密度对提高瓦斯抽采量的效果就显得比较重要，同时增加钻孔的密度，增加了煤层的卸压作用，使煤层透气性增加。由于增加钻孔的密度是一种简单易行的措施，因此它是提高开采层瓦斯抽采率的一项主要措施，可以在保证一定瓦斯抽采率的情况下，缩短抽采时间。目前，矿井工作面本煤层钻孔采用三花眼布置，排间距1 m，钻孔间距3 m。在靠近回采面切眼的煤体内的钻孔，其抽采时间常常无法保证，因此，可以根据预抽时间的需要适当增加钻孔密度，最大限度地提高钻孔的抽采效果。

3 结语

顺层钻孔抽采本煤层瓦斯时，对于钻孔的抽采时间、封孔方式、钻孔密度等参数进行优化能够有效提升矿井的瓦斯抽采效果，且上述因素对瓦斯抽采影响显著，与之对应的钻孔直径及抽采负压等相关参数对于瓦斯抽采影响较不明显。