张常胜
（山西霍州煤电集团晋南煤业有限公司，山西 河津 043301）
为贯彻落实“先抽后采，以风定产，监测监控”的安全生产方针，坚持“应抽尽抽、多措并举、抽掘采平衡”的抽采原则[1-2]。根据煤矿安全规程、瓦斯抽采管理规范规定：当通风方法解决瓦斯问题不可能或不合理时，应采用瓦斯抽采措施。严格贯彻执行瓦斯抽采达标评判实施办法，全面提升瓦斯治理理念认识、提高瓦斯治理标准、强化区域治理措施，需对各工作面进行瓦斯抽采[3]。根据山西省煤炭工业厅关于贺西煤矿2017 年、2018 年、2019 年、2020 年、2021 年度瓦斯等级鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井。2021 年瓦斯鉴定结果表明，全矿井瓦斯绝对涌出量为71.14 m3/min，相对瓦斯涌出量为18.63 m3/t。
1.1 矿井瓦斯抽采布置
贺西矿地面布置有2 个固定抽放泵站：薛家岭瓦斯抽放泵站和独胡峁瓦斯抽放泵站。2 个固定抽放泵站总额定抽采能力为2 620 m3/min，实现全矿井的分区、分源抽采。薛家岭泵站采用2BEC-72 泵，负责矿井高浓度区域瓦斯抽采，同时服务矿井二采区及三采区低浓度瓦斯抽采；
独胡峁泵站2BEC-80 泵负责三采区及四采区低浓度瓦斯抽采。抽采管路：三采区、四采区采用Ф800 mm 的螺旋焊管作为瓦斯抽采主管路，共计11 546 m。采掘工作面、备用面均布置Φ300 mm不锈钢加强筋螺旋焊管瓦斯抽采支管，共计15 990 m。各工作面钻孔与支管采用波纹管总成对接进行抽采。
1.2 抽采区域瓦斯储量、可抽采量
工作面瓦斯来源分析：四采西翼底抽巷布置在距离4 号煤层下10 m 两侧岩层中，巷道长1 825 m，四采西翼底抽巷掘进期间瓦斯涌出主要为岩层中赋存的少量瓦斯的涌出。4311 运巷条带瓦斯储量为330.8 万m3，四采西翼底抽巷上部预抽范围内4 号煤层瓦斯储量为3 011.9 万m3，四采西翼底抽巷上部预抽范围内4 号上煤层瓦斯储量为1 335.95 万m3。
1.3 工作面瓦斯抽采量
4311 运巷条带预抽范围可抽采瓦斯量115.78 万m3，四采西翼底抽巷上部预抽4 号煤层范围可抽采瓦斯量903.57 万m3，四采西翼底抽巷上部预抽4 号上煤层范围可抽采瓦斯量为402.12 万m3。
2.1 四采西翼底抽巷瓦斯抽采设计方案
4311 运巷条带穿层钻孔布置在四采西翼底抽巷掘进方向左手帮，向上临近层施工穿层钻孔，钻孔从距离底抽巷口100 m 处开始施工，每12 m 施工一组穿层钻孔，每组施工10 个钻孔，钻孔覆盖4311 运巷及两侧轮廓线外各20 m 范围。钻孔开孔位置呈一条线布置，钻孔由底抽巷顶板处开孔，钻孔在4 上号煤层钻孔终孔间距为3.6 m 左右；
在3 号煤层内终孔间距为5 m 左右，在施工过程中穿透4 号与4 上号煤层，继续钻进穿透3 号煤层进入煤层顶板0.5 m，详见图1。四采西翼底抽巷共施工4311 运巷条带预抽钻孔146 组（1 460 个），总进尺67 160 m。四采区4411运巷布置位置与4311 运巷处于上下重叠关系，4311运巷穿层钻孔已覆盖预抽4411 运巷右帮20 m 范围，故在西翼底抽巷内向4411 运巷条带及左帮20 m 范围煤层进行抽采钻孔施工作业。4411 运巷左帮抽采钻孔每组设计6 个，钻孔终孔间距6.5 m，共计146 组（876 个钻孔），总进尺39 420 m，详见表1。
图1 四采西翼底抽巷穿层钻孔布置示意图
表1 四采西翼底抽巷穿层钻孔预抽4 号煤层施工参数表
在四采西翼底抽巷施工3 号煤层穿层钻孔时，根据钻孔竣工情况，反算4 号煤层与4 上号煤层的层间距，并对层间距≤5 m 范围内的4 上号煤层制定补充预抽钻孔设计并施工。
2.2 钻孔施工工艺及封孔
2.2.1 钻进工艺
四采西翼底抽巷左帮穿层瓦斯抽采钻孔施工设计采用CMSI-6000/55 型全液压深孔钻车，配备Φ73mm光面钻杆；
四采西翼底抽巷右帮钻场预抽钻孔施工采用ZYWL-13000DS 型定向钻机，配备Φ89 mm 通缆钻杆钻杆，湿式打眼，水力排粉，无岩芯钻进工艺。
2.2.2 ZYWL-13000DS 钻具钻具组合
2.2.2.1 钻杆
钻具组合有两种钻杆：
第一种是89ZGDP3000 定向钻杆，直径为Φ89mm，有信号传输、向孔底传输动力介质（10 MPa）、传递扭矩和起拔力的作用。
第二种是Φ89 mm 无磁通缆钻杆，无磁钻杆及相应的无磁接头采用无磁钢材质，丝扣经过特殊喷丸处理，强度好，不会有黏扣现象。
2.2.2.2 单向阀
单向阀主要由中心电缆组件、单向阀壳体、支撑、阀片和阀座等几部分组成。中心电缆组件主要由信号传输元件和密封绝缘零件组成。
2.2.2.3 钻头
在定向钻进的施工过程中，钻头在孔内需不断调整自身的方位，应用传统的三翼内凹式PDC 钻头已不能适应定向钻进的要求（不利于纠偏）而锥形钻头在煤层中钻进，会出现过度跑偏现象，给定向钻进的纠偏带来了相当大的难度。为此，采用平底型胎体式PDC 复合片钻头，直径分别为Φ89 mm、Φ120 mm、Φ153 mm。
2.2.2.4 随钻测量系统
为近水平定向钻孔施工过程中的随钻监测，布置随钻测量系统，可随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数，同时可实现钻孔参数、轨迹的即时孔口显示，使钻孔尽可能的按照设计的轨迹延伸。
2.2.3 钻孔直径
钻孔的直径应根据打钻技术、抽采瓦斯量和抽采半径等因素综合考虑，一般选用Φ65 mm～Φ113 mm，有条件时可用大直径钻孔。根据本矿的实际情况，本煤层采用钻头直径Φ94 mm，区域预抽长钻孔采用钻头直径为Φ120 mm。
2.2.4 钻孔孔深及间距
依据中国矿业大学编制的《贺西矿3、4 号煤层瓦斯抽采半径测定》确定我矿3 号煤层的瓦斯抽采半径为6.5 m，根据我矿实际条件，设置四采东翼底抽巷穿层钻孔终孔间距为5 m，钻场预抽钻孔终孔间距为12 m。
2.3 钻孔封孔方式、材料及工艺
四采西翼底抽巷瓦斯抽采钻孔封孔方法的选择应根据抽采方法及孔口所处煤（岩）层位、岩性、构造等因素综合确定。封孔质量影响瓦斯抽采的浓度、孔口负压、甚至整个抽采系统的效果。四采西翼底抽巷穿层钻孔采用FKJW-50/0.5 抽放瓦斯用囊袋注浆式封孔器封孔。抽放管直径50 mm，钻孔封孔管总长度为9 m，孔内封孔段长度8 m。
2.4 单孔管路连接及放水器安设
2.4.1 单孔管路连接
四采西翼底抽巷穿层钻孔与抽采支管路之间采用聚氯乙烯波纹管进行对接，支管五通与单孔连接管路长度为1.5 m，每个五通最多可连接5 个单孔，每组穿层钻孔安设2 个五通用于穿层钻孔连接抽采。使用波纹管连接过程中各个接口处要拧紧，做到不漏气。每个单孔在连接过程中要安设相应的观测嘴、阀门。
四采西翼底抽巷右帮钻场内长距离钻孔首先使用Φ102 mm 铠装管路连接孔板流量计再连接至抽采水箱上，然后再使用Φ102 mm 铠装管路将水箱连接至瓦斯抽采支管，且在水箱与支管路中间加设自动计量装置，管路在连接过程中各个接口处要安设密封圈，做到不漏气。
2.4.2 管路布置
在四采西翼底抽巷左右两帮各铺设一趟瓦斯抽采管路，其中，左帮支管负责穿层钻孔瓦斯抽采，右帮支管负责钻场预抽钻孔抽采。
2.5 抽采管道的选择
2.5.1 四采西翼底抽巷瓦斯抽采管路管径的选择
利用公式（1）计算瓦斯管内径：
式中：D 为瓦斯管内径，mm；
Q 为瓦斯管路中的瓦斯流量，取Q左=17.02 m3/min，Q右=41.14 m3/min；
V 为瓦斯管路中的瓦斯平均流速，取V=12.5 m/s。则，D左=169 mm，D右=264 mm，四采西翼底抽巷左右帮支管路取内径300 mm 的瓦斯抽采管路，管路长度均为1 952 m，作为四采西翼底抽巷瓦斯抽采支管路。
2.5.2 四采4 号回风巷瓦斯抽采管径的选择
四采4 号回风巷瓦斯抽采管路直径为800 mm的瓦斯抽采管路。
2.5.3 四采西翼底抽巷钻孔抽采负压计算
主管路的摩擦阻力计算公式见式（2）：
式中：H摩为管路的摩擦阻力，Pa；
γ 为混合瓦斯对空气的相对密度，取0.866（查表取值）；
k 为系数，根据管径由表查出；
d 为管路直径（内径），cm；
L 为管路的总长度（线路最长），即从薛家岭72 泵瓦斯抽采泵站至四采4 号回风巷瓦斯抽采干管距离，m；
Q 为某段管路混合瓦斯流量，m3/h；
抽采主管路流量为3 164.4 m3/h。则：H干摩=9.81×3 564×0.866×99 232/（0.71×805）=1.28 kPa；
H干局=20%×H干摩=0.2×1.28=0.256 kPa；
H干总=H摩＋H干局=1.28+0.256=1.536 kPa；
H干合=2×H干总=2×1.536=3.072 kPa。
2.5.4 抽采负压计算
四采西翼底抽巷左右两帮瓦斯抽采支管路均属高浓瓦斯抽采系统泵站所担负，根据贺西煤矿使用的2BEC-72 水环式真空泵，泵站正常工作抽采负压稳定在40 kPa 左右。四采西翼底抽巷钻孔孔口孔抽采负压为27.808 kPa
2.6 瓦斯抽采管路的铺设
1）四采西翼底抽巷瓦斯抽采支管路敷设时从四采4 号回风巷瓦斯抽采干管分别引出两趟Φ300 mm的瓦斯抽采管路，经回风联巷连接至四采西翼底抽巷工作面，管路分别铺设在巷道前进的左右两帮，管路长度均为1 952 m，瓦斯抽采管路随着工作面的掘进逐步进行延伸。
2）管路在铺设过程中，在巷道口起120 m 范围的管路上安装Φ300 mm 蝶阀、孔板流量计、瓦斯抽采管路在线监测装置、ZYBRG8/2 型矿用防爆自动抑爆装置。瓦斯抽采支管每根6 m，采用法兰盘（Φ300 mm）连接，管路末端安装负压表。
3）瓦斯抽采支管路在敷设时，瓦斯抽采管路均采用法兰盘（Φ300 mm）连接，左帮瓦斯抽采支管每两根管连接2 个五通，右帮瓦斯抽采支管路钻场口中间必须安设四个Φ300 mm 的同径三通，并在钻场口安设三通用于放水管的连接。
4）瓦斯抽采管路吊挂采用直径不小于6 mm 的钢丝绳穿过PE 管、一管两吊的方式铺设，且抽采管路吊挂在巷道专用顶锚杆上。
5）瓦斯抽采支管路在敷设时，每200 m 和巷道低洼处必须安设（Φ200 mm）的支管放水器，每500 m 安装一个支管控制蝶阀。
6）四采西翼底抽巷瓦斯抽采管路布置在掘进工作面前进方向的左右两帮，瓦斯抽采管路吊挂距底板高度不小于300 mm。
通过现场试用4 号煤抽采效果进行监测，得出4 号煤瓦斯涌出量明显降低，瓦斯抽采量大，通风量得以缓减，有效实现瓦斯综合治理，实现矿井安全生产和碳中和、碳达峰的目标。
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