曹剑锋 CAO Jian-feng
（黑龙江科技大学研究生学院，哈尔滨150022）
摘要：随着国内煤矿开采技术的不断提高，如何提高开采量及提高开采的效率问题摆在我们面前，随着国家提出了“可保尽保，应抽尽抽”的战略方针，在这个战略方针的指导下，国内各大型煤矿对原煤的开采技术进行了技术挖潜和技术革新，研制成了底板巷穿层钻孔技术，该项技术对煤巷掘进过程中，煤瓦斯突抽放的效果显著，确保矿井的稳产、高产及安全生产。
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关键词 ：底板巷穿层钻孔；封孔工艺；集气箱
中图分类号：TD214 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0134-02
作者简介：曹剑锋（1992-），男，山东临沂人，黑龙江科技大学在读研究生，研究方向为采矿工程。
0 引言
当前，国内一些大型煤矿，大多都是开采多年的煤矿，随着开采量的不断提高，采掘工作面深度不断增加，瓦斯的压力及压力越来越高，煤巷掘进突出危险性越来越大，煤与瓦斯突出的问题制约了这些大型老煤矿的经济发展及经济效益，国内一些原煤采掘技术人员对原煤的采掘进行深入研究，总结出了底板巷穿层钻孔技术，这一技术的研究成功使国内一些大型采煤矿重新焕发了青春。
1 有关瓦斯的一些概念
在原煤形成之前，被埋在地下的一些植物中的纤维、淀粉及一些有机物经过厌氧发酵，在成煤过程中经过物理、化学及生物反应，形成的一种可燃气体。这种气体具有一定的苹果香味，是由于厌氧发酵产生一定的芳香烃所产生。瓦斯的成分主要是烷烃，含量最多的是甲烷，其它少量的含有乙烷、丙烷及丁烷，同时还含有一定量的二氧化碳、硫化物、氮化物和水。在正常情况下，这些物质以气体形式存在，当预明火，将发生瓦斯爆炸。当空气中氧气浓度达到10%时，若瓦斯浓度在5%-16%之间，就会发生爆炸，浓度在30%左右时，就能安静的燃烧。对于瓦斯气体一般老百姓认为是可燃气体的总称，其中主要包括：液化石油气、天然气及煤气三种。液化石油气是在石油冶炼或者在对天然气处理时产生的丙烷和丁烷的混合气体，在常温常压下为气体，当经过加压或者冷却时为液体，将经过加压降温后成为液体的石油气装入钢瓶中就成为液化瓦斯。天然气是被称为气体瓦斯，天然气是很多年前动物的尸体经过多年的转化、分解而产生的气态碳氢化合物，其主要成分是甲烷，还含有微量的乙烷、丙烷和丁烷。煤气就与煤有关系的一种可燃气体，是在煤开采过程中产生的，又称瓦斯，在煤开采过程中会产生大量的瓦斯气体，为了使开采工作安全、正常的进行就要将这些瓦斯安全的排出或者收集。在原煤的开采工作中，瓦斯的安全排出和收集是原煤开采最为关键的一环，当前瓦斯的排除方法为：通风排除法和钻孔抽放法。
2 矿井瓦斯的抽放
随着开采深度的不断增加，原煤生产能力的不断提高，开采区瓦斯的涌出量不断增大，国内一些矿井在正常的情况下每吨原煤瓦斯的涌出量为100m3，如果只采取通风的方法将瓦斯的浓度控制在安全限度范围内，不仅使生产成本大大增加，还给生产上造成很大的难度，同时把瓦斯排入大气中去及浪费又影响环境，近年来，国内一些大型煤矿采用底板巷穿层钻孔抽放技术，从根本上解决了这个问题。
衡量一个瓦斯矿井是否有必要抽放，可以根据以下几点：①对于生产矿井，由于矿井的通风能力已经确定，所以矿井瓦斯涌出量超过通风所能稀释瓦斯量时，即应考虑抽放瓦斯。②对于新建矿井，当采煤工作面瓦斯涌出量>5m3/min，掘进工作面瓦斯涌出量>3m3/min，采用通风方法解决瓦斯问题不合理时，应该抽放瓦斯。③对于全矿井，一般认为，绝对瓦斯涌出量＞30m3/min，或相对瓦斯涌出量>15-25m3/t时应抽放瓦斯。④开采保护层时可考虑抽放保护层瓦斯；对于突出煤层，可以考虑用预抽瓦斯的方法防止突出。
一般来讲，瓦斯浓度低的尽量排入大气中，如抽放稳定，瓦斯浓度≥35%时，便可以合理的加以利用。
3 底板岩巷穿层钻孔的合理分布
3.1 底板抽放巷和抽放区域的合理分布
为了加大区域内的抽放力度，保证足够的钻孔数量和预抽的时间，采用对掘进底抽巷的同时，在每间隔15m左右的巷道间开掘一个深5m左右的抽放钻区域，区域断面规格一般在3*3m左右，可以保证开钻的需要。
3.2 底层抽放钻孔的合理分布
3.2.1 钻孔布置的基本原则 在预抽场内，钻孔的分布要均匀，钻孔要穿过煤层全厚遇到顶板为标准，在设计时，为了提高瓦斯抽放浓度，封孔严密，提高抽放的效果，钻孔后孔径要尽量大，空间距离要以实测有效的抽放半径为设计基础。具体分布：钻孔按照每10m左右一组，一组8个左右，终孔间距：5m左右，要按照待掘巷道两侧各15m范围内。如图1所示。
3.2.2 方案设计 在设计底巷内穿层钻孔在设计和施工时，主要目的是为煤巷掘进防突做准备。在每间隔15m左右的掘进抽放区域打钻，对下底巷周围的煤层瓦斯条带区域进行预抽，在钻场区域内布置数行和数列，钻孔的直径大约75mm左右，要沿着煤层方向呈扇形布孔，钻孔要控制在顺槽轮外轮廓线上帮20m，下帮10m的范围之间。
4 对瓦斯抽放效果提高的技术措施
4.1 采用尽量加大钻孔直径的方法，从提高瓦斯的最大量的排除打下基础，以五大一深为施工原则，大钻孔为设计标准，所开的孔径不得小于75mm，排间距和孔间距要均匀，距离要控制在0.3m左右，目的是封孔后规范连接。在原煤的掘进过程中，通过操作，采用加大孔径的方法，瓦斯排放量有了明显的提高，每个孔的瓦斯浓度基本上都超过了80%，在过去，穿层孔径大约都在65mm左右，每个孔所排出瓦斯浓度都很低。
4.2 封孔新工艺 在我国许多煤矿，对钻孔的封孔环节不重视，所使用的材料也不规范，因此影响了瓦斯的排放，有些煤矿采用编织袋缠裹塑料管注聚氨酯的方法进行封孔，效果很不理想，同时封孔长度短也是钻孔抽放浓度低的主要原因，目前一些大型煤矿采用封口新工艺，取得了很好的效果。封孔的材料选择冯安特、布袋、聚氯乙烯管三组合封管新技术，封口的深度也进行有效的延长，同时加大了封口管的直径，通过实践，瓦斯抽放浓度有了显著的提高，瓦斯单孔抽放浓度达到了80%以上，有的还达到了100%。具体施工工艺如下：将每根Ф25mm×2.5聚氯乙烯管上捆绑繁布布袋，布袋按照兜状捆绑，再将冯安特以1:1的比例调配均匀后倒入封孔器中，马上向孔中注入，注入后几秒钟就会发生膨胀，如不出现不膨胀或者膨胀不到位等问题，封口操作结束，如出现问题，应重新施工。
应用效果：通过底板巷穿层钻孔技术的应用，使瓦斯浓度大幅度的提高，新孔每单孔抽放瓦斯浓度超过了80%，有些甚至达到100%，在抽放实验半年后，瓦斯抽放浓度仍然保持在60%以上，实验表明，采用大孔径和深封孔是提高瓦斯气体浓度的最佳方案，也是最直接、最有效的方法，是今后煤巷掘进中，对于瓦斯抽放环节发展的必然趋势。
4.3 辅助设备集气箱在煤巷掘进中的成功应用
原来国内一些煤矿，钻场连接方式是将两根并列的管上焊接多个三通接头，三通接头用软管与钻孔连接。在施工过程中如钻孔一旦存在积水的问题发生，就会造成管理的堵塞，使孔口负压低，影响瓦斯预抽效果。技术人员对这一问题进行了深入的分析和研究，研制出了抽放钻场集气箱，集气箱的作用是将瓦斯、煤岩粉和水自然分离，在实际生产中，进入钻孔内的瓦斯被负压抽走，而水煤岩粉等杂物进入集气箱后通过排污阀门排进下水道。从根本上解决了钻孔积水和沉淀影响孔口负压的问题，提高了瓦斯的预抽效果。
4.3.1 集气箱的操作规程 集气箱的大小是按照所抽放气体的具体数量要求进行设计的，形状可以为长方体，也可以为罐体，按照钻孔数量在集气箱上部焊接钻孔直通，在集气箱的一侧开孔，焊接短接安装阀门，并与抽放管连接。在集气箱的另一侧，上部开孔安装排气阀门，下部开孔装排污阀门。当需要排污时，关闭钻场阀门后，打开排气阀门进行排气，排气后将排污阀门打开进行排污，排污结束后，关闭排气阀门，关闭排污阀门，打开钻场阀门恢复正常生产。
4.3.2 集气箱的工作原理 在钻孔抽放过程中，会产生大量的瓦斯、水和一些杂质，将这些物质采用科学的方法被引入集气箱内，这些物质进入集气箱后产生自认分离，瓦斯的密度小于1，自然分布在集气箱的上部，水和一些杂质的密度大于1，进入集气箱后自然流入底部，在集气箱上部的瓦斯被抽放负压抽走，而在底部的水和一些杂质通过排污阀门被排掉。
4.3.3 连接方式的改进 集气箱与其它管路的连接方式很重要，如果连接不好不但影响抽放量，同时还造成周围的环境污染，开始的时候采用铁线紧固进行连接，效果不好，有漏气的现象，后来采用钢丝箍—螺丝固定的方式，取得了很好的效果，这种方式的优点是开始使用时用螺丝紧固严实后，使用一段时间后还可以再进行紧固，基本没有漏气的现象发生。通过定期进行紧固，可以保证钻孔始终处在严密的状态下。
应用效果：底板巷穿层钻孔技术配合集气箱，瓦斯抽放效果显著，瓦斯浓度明显提高，解决了抽放管路积水而影响管内负压的问题，同时采用钢丝箍—螺丝紧固的连接方式，使钻孔始终处在严密的状态，保证了抽放系统的稳定。
5 结束语
我国煤矿经过多年的开采经验，总结出了很先进的煤炭开采技术，在煤巷掘进中使用底板巷穿层钻孔技术是近年来煤炭行业应用最广的，也是最实用的技术，通过实践，采用增大钻孔直径、提高封闭深度，使用先进的封口技术和配合集气箱的应用，使抽放效果明显提高，原煤的掘进速度明显加快，安全生产得到了有效的保障。这项技术具有低成本、易操作、事故率低，为大型老煤矿的发展开辟了新的道路。
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