瓦斯抽放基础知识 - 图文

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（初培）

承德泉力煤矿安全技术培训中心

第一章瓦斯抽放基础知识 .......................................................................................................................... 4

第一节瓦斯抽放系统 .................................................................................................................................. 4

一、瓦斯抽放系统的构成 .................................................................................................................. 4 二、瓦斯抽放管路的选型 .................................................................................................................. 4 三、瓦斯抽放管路的连接 .................................................................................................................. 6 第二节瓦斯抽放管路安装及拆卸注意事项 .............................................................................................. 6 第三节瓦斯抽放基本参数 .................................................................................................................... 10 第四节抽放钻孔设计 .............................................................................................................................11

一、钻孔直径 .....................................................................................................................................11 二、钻孔深度 .....................................................................................................................................11 三、钻孔有效抽放半径 .....................................................................................................................11 四、钻孔间距的确定 .........................................................................................................................11 第五节钻孔施工 .................................................................................................................................... 12

一、施工注意事项 ............................................................................................................................ 12 二、钻孔施工中常见安全事故 ........................................................................................................ 13 三、钻孔施工安全措施 .................................................................................................................... 13 四、钻孔事故排除法 ........................................................................................................................ 14 五、钻孔的封孔 ................................................................................................................................ 15

第二章瓦斯抽放的基本方法 ........................................................................................................................ 16

第一节石门揭煤瓦斯抽放 .................................................................................................................... 18 第二节煤层巷道掘进前预抽 .............................................................................................................. 20 第三节开采前本煤层抽采 .................................................................................................................... 25 第四节各种钻孔布置方式比较如下 .................................................................................................... 26 第五节开采过程中的瓦斯抽放 ............................................................................................................ 27 第六节采空区瓦斯抽采 ........................................................................................................................ 31 第三章钻探工具及钻孔施工 ........................................................................................................................ 37

第一节钻探工具 .................................................................................................................................... 37

一、钻机的类别 ................................................................................................................................ 37 二、钻机的构造及优缺点 ................................................................................................................ 37 三、钻机常见故障 ............................................................................................................................ 38 第二节钻孔设计 .................................................................................................................................... 41

一、钻孔直径的确定 ........................................................................................................................ 41 二、钻孔深度的确定 ........................................................................................................................ 41 三、钻孔有效排放半径的确定 ........................................................................................................ 41 四、钻孔间距的确定 ........................................................................................................................ 42 第三节钻孔施工 .................................................................................................................................... 42

一、瓦斯抽放钻孔施工注意事项 .................................................................................................... 42 二、钻孔施工中常见安全事故 ........................................................................................................ 43 三、钻孔施工安全措施 .................................................................................................................... 43 四、钻孔事故排除方法 .................................................................................................................... 45 第四节钻孔的封孔 ................................................................................................................................ 47

一、瓦斯抽放钻孔的封孔方法 ........................................................................................................ 47 二、钻孔封孔注意事项 .................................................................................................................... 48

第四章矿井瓦斯抽放设备与管理 ................................................................................................................ 49

第一节井下移动瓦斯抽放概述 ............................................................................................................ 49 第二节、瓦斯抽放设备 .......................................................................................................................... 57 第三节、水环式真空泵 ............................................................................................................................ 64 第四节、瓦斯抽放计量和测定方法 ........................................................................................................ 80 第五节、移动瓦斯抽放泵管理 ................................................................................................................ 93

第一章瓦斯抽放基础知识

第一节瓦斯抽放系统

一、瓦斯抽放系统的构成

瓦斯抽放系统主要由瓦斯泵、管道、流量计、安全装置等组成。、抽放瓦斯管道瓦斯抽放管道的铺设瓦斯抽放管路由总管、分管和支管组成，一般选用无缝钢管、焊接管、硬质抗静电塑料管，支管也可选用玻璃钢管。抽放管路设于回风巷内，抽放管路在铺设时必须吊挂平直，离地高度不小于30cm，必须保证抽放系统中所有管路的接头严密、不漏气，正式抽放前，必须对所有抽放管路进行试通、试漏；管路铺设在有提升运输的巷道内时，管路与矿车最外缘的间隙必须大于70cm；严禁瓦斯管路与电缆同侧吊挂，严禁与带电物体接触，严禁砸坏管路，设有抽放管路的巷道要维修时，必须制定保护抽放管路的措施；瓦斯抽放管路要每隔一定距离或在高度起伏变化处设放水三通。二、瓦斯抽放管路的选型

选择抽放管路是决定抽放投资和抽放效果的重要因素之一，瓦斯抽放管路直径D应根据绝对瓦斯涌出量、预计瓦斯涌出量及预计瓦斯抽放率，采取下式进行计算： D=[(4QC)/(60πu)] 式中 D——瓦斯管内径，m； QC——管内气体混合流量，m/min；

1/2

u——管内气体经济合理平均流速，取u=5—15m/s。

管路直径：采区工作面一般选用200～250mm，大巷干管选用250～325mm，井筒和地面选用325～400mm。瓦斯管道阻力计算

管道阻力计算方法和通风设计计算矿井总阻力一样，选择阻力最大的一路管道，分别计算各段的摩擦阻力和局部阻力，累加起来计算整个管道系统的总阻力。各段的摩擦阻力计算：

Hf=(1-0.00446C)LQC/KD Hf——管道内摩擦阻力，Pa； L——管道长度，m； D——管道内径，cm；

QC——管内混合气体流量，m/h； C——管内混合气体中瓦斯浓度的百分值； K——系数，见下表：管路系统K值表

管径3.2 /cm K 0.05 4.0 5.0 7.0 8.0 10.0 12.5 15 >15.0 3

0.051 0.053 0.056 0.058 0.063 0.068 0.071 0.072 局部阻力一般不进行个别计算，以管道总阻力的10～20%作为局部阻力。管道总阻力为： Hr=(1.1～1.2)Σhfi

Hfi——i段管道的摩擦阻力，Pa；

三、瓦斯抽放管路的连接

瓦斯管路与钻孔可用高压胶皮软管通过抽放多通连接，高压胶皮软管的尺寸根据封孔套管的直径来选择，煤层钻孔一般选用2英寸半的高压胶管，岩石钻孔一般选用3英寸或4英寸的高压胶管。抽放瓦斯管与瓦斯管路的连接如下图：

封孔泥浆堵料阀门法兰盘汇总管流量计胶皮连接软管钻孔放水器分区瓦斯管

第二节瓦斯抽放管路安装及拆卸注意事项

?、管路要拖挂或垫起，吊挂要平直，拐弯处设弯头，不拐急弯。管子接头接口要拧紧，用法兰盘连接的管子必须加垫圈，做到不漏气，不漏水。

?、在倾斜或水平巷道中安设管路时，必须先安管子托，管托间距不大于10m，接好一节运一节，把接好的管子用卡子或8～10#铁丝卡在或绑在预先打好的管子托架上。

?、在通风不良处或瓦斯尾巷中安装管路时，除要有措施外，还要有瓦检员，在检查瓦斯符合规定后方可工作。

?、拆卸管子时，要2人托住管子，一人拧下螺丝。

?、当管路通过风门等设施时，管路要从墙的一角打孔通过，接好后用灰浆堵严。

?、在有电缆的巷道内铺设管路时，应铺设在电缆的另一侧，严禁与电缆同侧吊挂。

?、用法兰盘连接管子时，严禁手指插入两个法兰盘间隙及螺丝眼，以防错动挤手。

?、管路铺设时每隔3～4m要有一吊挂点，保持平、直、稳。井下严禁使用摩擦产生静电的塑料管。

?、新安装或更换管路要进行漏气和漏水实验，不合标准的不能使用。 ?、连接瓦斯管路时要加胶垫，上全法兰盘螺丝并拧紧，确保不漏气。安装孔板流量计时，必须严格按质量标准施工。拆除或更换瓦斯管路时，必须把计划拆除的管路与在用的管路用闸阀或阀门隔开，瓦斯管路内的瓦斯排除后方可动工拆除。

（一）采煤工作面过钻场时拆除管路措施

?、回采工作面在距钻场30m时，生产单位负责在钻场内打设2个木垛，木垛必须接顶接实有劲，以保护钻孔，减少变形量。

?、通风部门要加强钻场瓦斯检查，并打上栅栏，揭示警标，发现有瓦斯积聚，必须及时采取有效措施处理。

?、工作面在过钻场时尽可能不破坏顶板，保护好钻场及木垛、抽放软管及干管，不得随意甩管。

?、在工作面过钻场20m前，新钻场要并网抽放。若过钻场抽放效果差，要及时施工穿层钻孔抽放瓦斯，消除瓦斯超限隐患。

?、在钻场进入工作面采空区后（距煤壁8～10m左右时）要及时拆除抽放干管，直至新钻场，并及时将出口闷实不漏气。

?、在拆管时必须选定合适班次、时间停泵拆卸，拆卸时要杜绝敲砸，避免产生火花。（二）、瓦斯泵

水环真空泵安全性好，抽放负压大，使用较广泛。抽放浓度低于25%的矿井，不得选用干式瓦斯抽放泵。瓦斯泵负压计算： H泵=hr+h孔

H泵——瓦斯泵总负压，Pa； hr——管道总阻力，Pa； h孔——要求孔口抽放负压，Pa；瓦斯泵流量计算： Q泵=100Q抽/C×K Q泵——瓦斯泵流量，m/min； Q抽——预计最大瓦斯抽出量m/min； C——瓦斯泵入口的瓦斯浓度，% K——备用系数，取1.2。

根据瓦斯泵流量及瓦斯泵总负压选择瓦斯泵。

（三）、孔板流量计

为了全面掌握与管理井下瓦斯抽放情况，要在总管、支管和各个钻场内

安设测定瓦斯流量的流量计。孔板流量计比较简单、方便。孔板流量计的标准规格如下图：

孔板流量计安装示意图1-1.5Dd直径不大于0.03D不大于50D0.5D15D7.5D40°孔板流量计由2个短管和一个有标准孔口的园板构成，使用时安装在管道上，用水柱压差计测出孔板前后的压差和管内瓦斯浓度，按下式计算出标准状态下混合气体流量：

Q=9.7×10×K{h×p/[0.716C+1.293(1-C)]}

-4

1/2

Q——温度为20℃，压力为101.3Kpa时的混合气体流量，m/min； h——孔板两端静压差，Pa； C——瓦斯浓度，%；

K——孔板流量系数，K=Kt×C1×SK(2g)×60; Kt——孔板系数（加工精度好时取1）； C1——流速收缩系数，取0.65； SK——孔板孔口面积，m。

1/2

40°0.5D 3

第三节瓦斯抽放基本参数

抽放率

?、矿井（或采区）抽放率

矿井（或采区）抽放率是指矿井（或采区）的抽出瓦斯量占其风排瓦斯量与抽放瓦斯量之和的百分比： Dk=100Qkc/(Qky+Qkc)

Dk——矿井瓦斯抽放率，%； Qkc——矿井抽放瓦斯量，m/min； Qky——矿井风排瓦斯量，m/min； ?、工作面本开采层抽放率

开采层抽放率指从开采层抽出的瓦斯量占开采层涌出及抽出瓦斯量的百分比：

Db=100Qbc/(Qby+Qbc) Db——开采层抽放率，%；

Qbc——从开采层抽放瓦斯量，m/min； Qby——从开采层涌出的瓦斯量，m/min； ?、工作面邻近层抽放率

指从邻近层抽出的瓦斯量占邻近层涌出及其抽出量之百分比： Dl=100Qlc/(Qly+Qlc) Dl——邻近层抽放率，%；

Qlc——从邻近层抽放瓦斯量，m/min； Qly——从邻近层涌出的瓦斯量，m/min；

?、工作面总抽放率

指从工作面开采层与邻近层抽出的瓦斯量占其涌出及抽出量的百分比： Dg=100(Qlc+Qbc)/ (Qlc+Qly+Qbc+Qby)

第四节抽放钻孔设计

一、钻孔直径

钻孔直径一般为60～110mm。二、钻孔深度

单一钻孔的瓦斯抽放量与其长度成正比关系，在钻机性能与施工水平允许条件下，尽可能采用长钻孔。掘进工作面一般使用SGZ-I型钻机，掘进迎头钻孔深度可施工16～20m，巷道两帮钻场内钻孔施工50m；高瓦斯回采工作面一般用MK系列钻机，钻孔深度可施工150m。三、钻孔有效抽放半径

钻孔有效排放半径一般为0.5～1.0m；有效抽放半径一般为1.0～2.0m。

四、钻孔间距的确定

钻孔孔底间距应小于或等于钻孔有效排放半径的2倍。钻孔间距选用参考值煤层透气性系数钻孔间距（m） 11

＜10 10～10 10～10 10～10 ＞10 -1-2-1-3-2-3— 2～5 5～8 8～12 ＞10 第五节钻孔施工

一、施工注意事项

1、严格按照标定的孔位及施工措施中规定的方位、角度、孔深施工，严禁擅自改动。

2、安装钻杆时注意的问题

?、先检查钻杆，不堵塞、不弯曲、丝扣未磨损，不合格钻杆不得使用。 ?、连接钻杆时要对准丝扣，不歪斜、漏水。

?、装卸钻头时，严防管钳夹伤硬质合金片及岩芯管。

3、开始钻进时，压力不宜太大，要轻压慢转，待钻头下到孔底工作平稳后，再逐渐加大压力。

4、开钻前必须供水，水返回后才能给压钻进，不准钻干孔；孔内岩粉多时，加大水量，冲好孔后方可停钻。

5、钻进过程要准确测量距离，一般每钻进10m或换钻具时必须测量一次钻杆，核实孔深。 6、钻进过程注意事项

?、发现煤壁松动、片帮、来压、见水或孔内水量、水压突然增大或减

小及顶钻时，必须立即停止钻进，不得拔出钻杆。

?、钻孔穿透采空区发现有害气体喷出时，要停止钻进，加强通风并及时封孔。

?、钻进时出现瓦斯急剧增大、顶钻现象时，及时采取措施进行处理。 7、临时停钻时，将钻头退离孔底一定距离，防止煤岩粉卡住钻杆，停钻8h以上时应将钻杆拉出。

8、退钻前测量机上余尺，并用清水冲孔，排净煤岩粉。二、钻孔施工中常见安全事故

1、发生瓦斯燃烧、爆炸和熏人窒息事故。 2、发生煤与瓦斯突出事故。 3、电气伤人事故。 4、片帮伤人事故。

5、因操作不熟练，造成钻杆搅人或牙钳伤人事故。三、钻孔施工安全措施

1、为防止钻进过程发生瓦斯超限事故，钻场必须要有良好的通风，安设瓦斯自动报警断电仪。对瓦斯涌出量大的钻场，钻孔必须装有防止瓦斯大量泄出的防喷装置，实行“边钻边抽”。

2、钻进过程中必须有专职瓦检员在场加强瓦斯检查，严禁瓦斯超限作业。钻探工必须佩带便携式瓦斯自动报警仪。 3、水力排屑时，钻孔直径应比钻杆直径大50%以上。

4、在突出煤层中施钻时，施工处必须用厚度不小于5cm的木板背严

背实，背板外侧用直径不小于18cm圆木（不少于2根）紧贴背板打牢，圆木向上插入顶板20cm以上，向下插入底板30cm以上。封孔套管长度大于2m，套管口装密封安全装置，以保证喷孔或突出时人员和设备安全。 5、若发现有突出预兆或异常现象时，测气员和施工负责人要迅速将全部人员撤离到安全地点，同时切断该巷道内所有电气设备电源，并向矿调度室及总工程师汇报。

6、加强钻场及其附近巷道支护，严禁空帮空顶。

7、施工钻孔的所有电气设备防爆质量必须符合《煤矿安全规程》规定，加强电气设备的检查与维护，严禁电气设备失爆失保，确保设备完好。

8、施工钻孔的电气设备的电源必须和作业场所的局扇、瓦斯传感器实行风、电和瓦斯、电闭锁。

9、施工钻孔前必须将钻机摆放平稳，打牢压车柱，吊挂好风水管及电缆。钻孔时，钻杆前后不许站人，不准用手托扶钻杆。

10、钻孔过程中，施钻人员要按照操作规程和钻孔施工参数精心施工，严格控制钻进速度，取钻杆与加钻杆时，钻机控制开关必须在停止位置，严禁违章作业。钻孔人员必须佩带自救器。四、钻孔事故排除法 1、孔内事故预防

?、钻进中停钻时，应及时设法将钻具提出孔口或安全孔段，如停钻时间短，也必须将钻具提至安全孔段，并经常活动钻具（不停风，可停水）。 ?、处理事故过程中，严禁强拉硬拧。

2、处理事故前的准备工作 ?、量好残尺，作好记录。

?、搞清事故原因，判断瓦斯压力。 ?、检查处理问题的工具。 ?、做好交接班记录。

五、钻孔的封孔

（一）封孔方法

瓦斯抽放钻孔的封孔应满足密封性好、操作方便、速度快、材料便宜。对成孔效果好、服务期不长的钻孔可用机械式封孔器封孔；对煤岩强度不高、封孔深度较长的钻孔可用充填料封孔。岩石孔不少于2～5m，煤孔不少于4～10m。

?、成孔形状效果好时用封孔器封孔，目前常用的是CPW-II型封孔器。使用时将封孔器送入钻孔内，然后用高压水管向封孔器内注水，使之产生径向膨胀将孔封住。

?、成孔形状效果差时用充填料封孔。封孔材料主要为水泥砂浆和聚氨酯。聚氨酯封孔有密封性好、硬化快、膨胀性强的优点，它由甲、乙2组药液混合而成，甲组液占总重的37.52%，乙组液占总重的62.48%。封孔时将2组药液倒入容器内混合搅拌1min，当药液由原来的黄色变为乳白色时，倒在塑料编织袋上并缠在抽放管上送入钻孔，经5min开始发泡膨胀，逐渐硬化成聚氨酯泡沫塑料，它在自由空间内约膨胀20倍。此法缺点是不适宜于封孔要求较深的钻孔（一般为0.8～1.2m）。

水泥砂浆封孔主要借助KFB型矿用封孔泵进行封孔。封孔时先在孔内

插入抽放管，同时在孔壁与套管之间插入一根注浆管，防止注浆时产生气泡，再插入一根排气管。然后用高压软管将注浆管与注浆泵连接。此法不受封孔深度限制。

钻孔水泥砂浆封孔工艺示意图挡板水泥砂浆挡板瓦斯抽放管瓦斯抽放管注浆管

（二）钻孔封孔注意事项

1、封孔前必须清除孔内煤岩粉。

2、封孔时要下套管，套管可用钢管或抗静电硬质塑料管。 3、封孔时先用木塞或锚固剂把套管固定在孔内，套管要露出10cm～15cm。

4、用封孔器封仰角时，操作人员不得正对封孔器。

第二章瓦斯抽放的基本方法

采用专用设备和管路把煤层中的瓦斯抽放出来的方法叫作瓦斯抽放。瓦

斯抽放是防治煤与瓦斯突出，减少煤层瓦斯含量，减少采区瓦斯涌出量，防治采掘过程中瓦斯超限的有效方法，是治理瓦斯的核心，是消灭瓦斯事故，确保煤矿安全生产的根本措施。

瓦斯抽放方法可以分为五类：(1)开采层瓦斯抽放；(2)邻近层瓦斯抽放；(3)采空区瓦斯抽放；(4)围岩瓦斯抽放；(5) 综合抽放瓦斯。其中综合抽放瓦斯方法是前四类方法中两种或两种以上方法的配合使用。选择抽放瓦斯的方法时应遵循如下的原则：

1．选择的抽放瓦斯方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件；

2．抽放方法的选取以瓦斯来源及涌出构成为依据，如果瓦斯涌出量主要来自开采层，则应采用开采层抽放，在开采煤层群时，邻近层的瓦斯涌出量占有很大比例且威胁工作面的安全生产时，则应采用邻近层瓦斯抽放，当工作面后方采空区瓦斯涌出量较大且威胁工作面安全生产时，则应采用老空区抽放。对于瓦斯瓦斯较高的煤层，巷道掘进时，瓦斯涌出量很大，难以用加大风量的办法稀释，可采用掘前大面积预抽或边掘边抽。若围岩瓦斯涌出量大，或者溶洞、裂隙带储存有高压瓦斯并有喷出危险时，应采取围岩瓦斯抽放措施。

3．尽可能采用综合抽放瓦斯方法，以提高抽放瓦斯效果；

4．有利于减少井巷工程量，实现抽放巷道与开采巷道的结合；有利于抽放巷道的布置与维护；

5．有利于提高瓦斯抽放效果，降低抽放成本；

6．有利于钻场、钻孔的施工、抽放系统管网敷设，有利于增加抽放钻孔

的瓦斯抽放时间。

第一节石门揭煤瓦斯抽放

图6—4 石门预抽煤层瓦斯钻孔控制范围

石门揭煤前，应通过瓦斯抽放消除突出危险后，再揭开突出煤层。抽放钻孔的控制范围（控制范围的概念都指与最外轮廓线平行的平面上的投影距离）应根据煤层的实际突出危险程度确定。根据《防治煤与瓦斯突出规定》第四十九条规定：钻孔的最小控制范围在揭煤处巷道轮廓线外12m（急倾斜煤层底部或下帮6m），同时还应保证控制范围的外边缘到巷道轮廓线（包括预计前方揭煤段巷道的轮廓线）的最小距离不小于5m，且当钻孔不能一次穿透煤层全厚时，应当保持最小超前距离15m。见图6—4。

《煤矿瓦斯抽采基本指标》（AQ1026——2006）规定，抽放钻孔必须控制

到巷道轮廓线外8m以上。但对于煤层倾角大于8°的煤层，考虑到重力作用，安全性提高，巷道底部和下帮的控制范围可以减少到5m。见图6—5。

图6—5 石门揭煤抽采钻孔控制范围实例：石门网格式钻孔集中预抽方法：

中梁山煤电气有限公司在距K10煤层10～25m的底板灰岩中布置一条专用瓦斯抽采巷（东西翼各一条），在抽采巷中每隔300m布置一个石门，当抽采巷掘至石门位置时，立即进行石门网格式预抽钻孔的施工，即抽采钻孔必须随着抽采巷的掘进而施工。施工完毕，立即封孔进行瓦斯集中抽采。抽采至少120天，并符合其它相关规定后，才进行石门揭煤的掘进工作。

当石门掘至距突出煤层15m以外时，对石门上部及两侧9m、下部2m范围内布置穿透煤层群的网格式抽采钻孔，终孔间距3m，抽采钻孔数33～70个。这样，在石门周边形成走向长21m，倾斜长15m的瓦斯抽采区，抽采孔控制范围为石门断面的40余倍。通过对石门及周边煤层瓦斯采用网格式钻孔的集中抽采，使煤体瓦斯得到释放，降低了瓦斯潜能；瓦斯

释放后煤体产生收缩变形，造成卸压，使弹性能和地应力降低；煤体收缩变形与地应力的降低又引起煤层透气性增加，降低了瓦斯压力梯度，释放瓦斯后的煤体力学强度增加，从而消除了突出危险。钻孔布置平面图、剖面图见图6—5所示。

a 钻孔布置平面图

b k1钻孔终层面图

图6—5 石门揭煤钻孔布置剖面图

第二节煤层巷道掘进前预抽

对于突出严重的单一煤层，为消除煤层巷道掘进的突出危险，并加快掘进速度，可以采用大面积瓦斯预抽，其基本模式有：穿层网格预抽(图6—6 )，穿层条带+平行钻孔预抽（图6——7），顺层长钻孔预抽（图6—8），还可布置专用瓦斯抽采底板或顶板巷道，通过岩石巷道向煤层打抽放钻孔，钻孔控制到煤层巷道两侧各10～15m,然后布置封闭钻孔进行瓦斯抽采，消除突出危险后再掘进煤层巷道。见图6—9。

采钻孔，钻孔布置方式有平行孔、扇形孔、交叉孔。对于长度较大的工作面，仅从上下顺槽打钻孔还不能完全控制整个工作面，在工作面存在抽放空白带，为消灭空白带，可以在通过上下顺槽施工联络巷，从联络巷向工作面切眼方向打钻孔。钻孔间距根据煤层突出危险性的大小和煤层瓦斯含量确定，对严重突出的煤层或瓦斯含量大的煤层,钻孔间距1～1.5m，一般性的突出煤层钻孔间距3～5m，钻孔长度要求超过回采工作面长度的二分之一，达到为70～80m。在工作面回采前预先对本煤层瓦斯进行抽采，预抽时间为3～6个月左右。并且在回采过程中继续对未回采煤体瓦斯进行抽采。钻孔布置见图6—13及6—14。

图6—13 扇形钻孔布置

第四节各种钻孔布置方式比较如下

?扇形钻孔

需要在巷道一帮开钻场，由于一个钻场同时施工若干钻孔，对于较松软的煤层造成钻孔孔口垮塌，增大封孔难度。但是，固定一次钻机可以打若干个钻孔，钻机移动量少，相应提高了打钻效率。 ?平行钻孔

平行钻孔布孔均匀，但每打完一个钻孔再打另一个孔时，必须移动钻机，

钻机移动量大。瓦斯钻孔流通量变化的规律是，当工作面接近钻孔8～10m时，钻孔瓦斯量显著增加，当工作面至孔口1.5m左右时，瓦斯流通量明显下降，钻孔接近报度，下一个钻孔接着起作用。所以，平行布孔时，钻孔有效服务时间短。 ?交叉钻孔

斜向钻孔与平行孔呈15～20°夹角，经河南焦作九里山矿试验，交叉布孔初始瓦斯自然涌出量是平行布孔的2.67倍，且随时间的衰减速度也较平行布孔缓慢。交叉布孔的初始瓦斯抽出量为平行布孔的2.53倍。以上三种布孔方式,既可在开采前预先抽采煤层瓦斯,又可在开采过程中边采边抽。根据矿压理论，在回采工作面前方存在一个卸压带和集中应力带，这两个带随着工作面的推进向前移动，卸压带的宽度与煤层厚度、煤层硬度、顶底板岩石性质、倾角有关。一般来说，卸压带的宽度小于10m。

第五节开采过程中的瓦斯抽放

?高位钻孔抽放瓦斯

为解决在采煤工作面开采过程中出现的上隅角瓦斯超限，可采用顶板高位钻孔抽放采空区的裂隙瓦斯。采煤工作面生产前，在采煤工作面的回风巷道内每隔一定距离施工一个高位钻场，通过钻场向工作面上方施工一组8～10个钻孔，钻孔成扇形布置，钻孔位于工作面上方20～30m范围内的裂隙带内，钻孔长度为60～80m。也可不做钻场，直接在回风巷向采空区上方裂隙带打数个钻孔，抽采采空区瓦斯。图6—15是回采工作面高位钻孔布置示意图。

图6—14 平行钻孔及交叉钻孔布置

图6—15 高位钻孔抽放瓦斯

需要注意的是，采用图6—15所示的高位钻孔抽放瓦斯时，在采煤工作面过高位钻孔之前，应用充填材料充满高位钻场，以消除瓦斯聚集，防止事故发生。采用这种钻孔布置还存在工程量大，管理复杂等问题，不如直接在煤层巷道内打高位钻孔方便。安阳大众煤矿因为工作面两煤层巷道断面小，回采过程中瓦斯时常处于临界状态，经采用回风顺槽直接向煤层顶板打高位钻孔（采空区上向钻孔）抽放后，工作面上隅角瓦斯再也不超限。见图6—16。

图6—16 采空区上向钻孔抽放法

这种方法要求钻孔孔底处于裂隙带中，以收集上邻近层涌向采空区的瓦斯，没有上邻近层时则抽采空区涌向裂隙带的高浓度瓦斯。采用这种抽放方式，抽出的瓦斯浓度普遍较高，可达80%以上（安顺煤矿和发祥煤矿），单孔瓦斯流量可达2~3m3/min。

需要注意的是，采用高位钻场布置高位钻孔时，由于高位钻场内空间较大，容易积聚瓦斯，给回采工作带来困难（瓦斯和顶板管理），应采用充填方法对高位钻场进行充填，以消除回采过钻场时瓦斯涌出异常的不安全因素。

（2）高位瓦斯专用巷道抽采瓦斯

在采煤工作面煤层顶板上方平行于回风巷道施工一条高位瓦斯巷，通过高位瓦斯巷抽采邻近煤层涌出的瓦斯（图6—17）。高位瓦斯巷布置在工作面垮落后形成的裂隙区内，高位巷一般处于煤层顶板上方15～20m，距工作面回风巷内侧约10m处。此方法能将上邻近煤层涌出瓦斯的60%以上抽出，抽采的瓦斯量较大。图6—17 高位瓦斯专用抽放巷抽放瓦斯 ?高位抽采巷抽采

在采煤工作面回风巷每隔一段距离（30～50m）作一个高位钻场，通

过高位钻场作钻机平台，在平台上向采空区方向打3～5个带有仰角的抽放钻孔，抽放采空区瓦斯。见图6 —18。

图6—18 高位巷抽放

这种抽放方法与高位钻孔抽放相比，钻孔有效利用时间长，可以相应减少钻孔工程量，但增加了巷道掘进工程。如果直接把高位巷作到裂隙带中，抽放钻孔就可作成水平钻孔，其有效抽放时间更长。但高位巷应在煤层巷道掘进的期间掘出，工作面回采期间就不便于施工这种巷道，因为出矸不方便，而且采掘相互干挠，通风也不好解决。 ?、采煤工作面煤壁浅孔抽放

在采煤工作面布置一趟直径150mm的抽放管，每10m设一个多通接头，每个接口用直径25mm

软胶管连接一个封孔器，对应插入煤壁前方超前钻孔内，形成工作面抽放系统。在检修班安排专人分段完成工作面抽放钻孔打钻任务。每打成一个钻孔即封孔连管抽放。生产班停抽，拔出封孔器及抽放软管，关闭阀门，放回指定地方。

采煤工作面煤壁钻孔深8～10m，孔径89mm，采高3m以下布置单排钻孔，间距1.5m，大采高工作面布置双排钻孔。用防突轻便钻机打钻，钻孔尽

量布置在软分层，最后联网钻孔抽放时间不少于2 小时。封孔采用专用封孔器，以适应回采工作面浅孔抽放钻孔数量多，封孔深度浅、抽放时间短、重复次数多的特点。

第六节采空区瓦斯抽采

在高瓦斯矿井和突出矿井，邻近层煤线和不可采煤层、围岩、煤柱和工作面丢煤都会向采空区涌出瓦斯。采空区瓦斯不仅在开采过程中向工作面和采空区涌出，而且在工作面采完密闭后仍有瓦斯涌出。与本煤层预抽相比，采空区抽放的特点是抽放量大，但抽放浓度低，其抽放量的大小取决于采空区瓦斯涌出量的大小和所采用的采空区抽放方法。为了减少采空区瓦斯涌向采掘空间而影响生产，可采取埋管抽采法、插管抽采法、钻孔抽采法、顶板巷抽采法。（1）埋管抽采法。

埋管抽采法就是预先将带孔眼(孔眼直径为10mm,孔的总面积大于或等于瓦斯管的断面积)的瓦斯管道敷设在工作面回风巷内，随着工作面的推进，瓦斯管的一端逐渐埋入采空区。瓦斯管道上每隔30～50m安设一个“T”形网管并安装阀门，可以打开。T型管应安装在专设的的抽放硐室内，紧贴巷道顶板。T型管安装如图所示。

图6——T型管安装

埋管的有效长度一般为20～50m。为防止抽放中发生管道堵塞，带孔眼的管段和管口，应用沙网包好。T型管的管口应尽量靠近煤层顶板，处于瓦斯浓度较高的地点。T型管周围还应用木垛围护，以防止冒落岩石砸坏。

为了防止瓦斯管在顶板冒落时被砸坏，在平埋的瓦斯管路还外套水泥管，并且应抬高距底板有一定高度，以防止积水和煤泥堵塞。

为适应开采方式和抽采效果的要求，埋管的方式有水平和垂直两种，如图6—19。

埋管抽放的优点是处理回采工作面上隅角瓦斯效果明显，埋管方式简单易行，便于管理，不需要掘进专用巷道或打钻，省时省力；其明显缺点是将瓦斯管路丢失在采空区内不能回收，浪费大量管材。

受埋管位置的影响，埋管抽出的瓦斯浓度一般不高（通常不到10%），抽放效率较低，并且波动较大，抽放浓度有时处于爆炸范围，必须加强安全管理。一般设专用管路抽放，还要加强自燃发火检测。

埋管抽放适用于生产强度不大，瓦斯涌出量较小的回采工作面，也可以联合其它方法应用于瓦斯涌出量较大和生产强度较高的综放工作面。被理在采空区的管路一般在距放顶排10m后才达到好的抽放效果，但在现实应用中，有的矿井为节省管材，采用大管套小管，并在套管外表扎色皮布防止漏风的办法来回收被埋管材。管路每埋进一定长度就将被埋管抽出一段，这样做的结果是抽放浓度低，抽放效果差，不宜提倡。还可以利用瓦斯尾巷在生产时对采空区的瓦斯进行抽采。对于已封闭的

老空区，通过预先埋进老空区的瓦斯管道对老空区内的瓦斯进行抽采。（2）插管抽采法

埋管法抽放和插管法抽放基本是相同的类型，只是布置方式不同。插管法是在采煤工作面上隅角靠采空区一侧用编织带装煤粉或黄土堆成的墙垛，从风巷抽放管引出多条抽放软管穿过墙垛插进采空区，抽放采空区瓦斯。如图6—20。这种抽放方法各矿普遍采用，但抽放浓度低。贵州安顺煤矿为提高抽放效果，采用埋管和插管相结合的抽放方法,效果较好。

根据《矿井瓦斯抽放管理规范》第22条规定：“在有自然发火危险煤层的采空区抽放瓦斯时，必须经常检测一氧化碳浓度和气体温度等有关参数的变化。发现有自燃发火征兆时，要采取措施”。因此，采空区抽放瓦斯时应注意：

图6—19 埋管抽采法

①采空区瓦斯管路上必须安设调压阀，以便合理调整抽采负压和抽采流量。

②在工作面中部至上隅角可砌筑密闭墙或挡风墙，以减少采面向采空区的漏风，墙体可用砖、料石或编织袋装煤矸砌筑的方式，面上抹灰浆增加其密封性。

③必须定期对管内气体及回采面上隅角，回风巷的气体取样分析，随时掌握采空区内气体成份、温度变化，以便合理地调整抽放瓦斯量和抽放负压。

④建立必要的防、灭火措施。

需要强调的是，埋管或插管抽采时用于隔离采空区的墙垛必须用黄泥充填逢缝隙并抹面，以减小漏风，隔离墙前面不能再设档风帘，以防止墙面与档风帘之间瓦斯积聚。

1—煤壁；2—回风巷；3—抽放管；4—抽放软管； 5—墙垛；6—支架；7—采空区矸石图6—20 插管抽放法

（3）钻孔抽采法

钻孔抽采法是通过采煤工作面之间的煤柱向采空区打钻抽采瓦斯，防止瓦斯超限的一种方法。钻孔布置方法见图6—21。

利用钻孔法抽放采空区瓦斯是在龙风矿向斜北翼740-Iw综放工作面进行的。该工作面位于龙凤矿井田向斜北翼。工作面长115m，采区走向长385m，煤层倾角0°～18°。工作面由西向东推进，走向长壁式仰采，煤层厚度为45m，分层开采厚度平均13．42m，可采贮量0．99Mt，设计产量1960t／d。预测该面瓦斯涌出量为24m3／t。该面采前进行过预抽，但由于抽放时间

不充分，预抽率仅为8．66％，预抽量为2.08m3／t。由于受通风网络复杂与阻力大等因素的影响，开采过程中实际供风量仅达到400m3／min，为设计供风量的40％。通风排放(稀释)瓦斯能力仅为1．40m3/t。剩余的22．6m3/t瓦斯必须在开采的同时采取边采边抽和采空区抽放的技术措施来处理，抽出率必须达到94．16％，否则，瓦斯超限和积聚的问题就不可避免，安全生产也没有保证。

图6—21 采空区抽采钻孔布置图

实践证明，7402-Iw综放工作面，从1996年2月至12月，实施钻孔抽

放采空区瓦斯以来的11个月中，共抽出瓦斯21．12Mm3，抽出率达到了88．07％，基本上达到了预期指标。由于采空区抽放效果较好，工作面瓦斯超限和积聚的问题也基本得到控制，安全采出煤炭637kt。采空区抽放瓦斯的效果主要取决于采空区抽放的布置方式及其工作面通风参数和抽放瓦斯参数。在巷道布置方式确定以后，其抽放效果主要取决于工作面通风和抽放参数及两者之间的配合关系。

在抽放参数一定的情况下，工作面通风压差越大，风量越大，往采空区漏风也越大，漏风的路线也越长，漏风流过的采空区面积也越大，工作面瓦斯涌出量就越大，甚至出现回风或上隅角瓦斯超限。因此，在采空区瓦斯涌出量较大时，采取增加工作面风量的方法来解决瓦斯问题往往适得其反。工作面风量只要能稀释落煤瓦斯涌出及工作面后方较小范围内的瓦斯涌出即可。

类似的道理，在工作面通风参数一定的情况下，抽放负压、流量越大，其抽放作用于采空区的面积也越大（工作面漏风流经的面积越小），抽出的瓦斯量也就越多。但是因为采空区抽放的瓦斯除采空区自然涌出的瓦斯外，还有一部分工作面漏风（也起到携带瓦斯的作用）。因此，抽放负压与流量也不能过大，否则抽采的瓦斯浓度就很低，降低了抽采效果。因此，随着工作面的推进，应即时调整抽放负压和流量，以适应采空区面积的增大和瓦斯涌出量的增加。 ?影响采空区抽采的主要因素

采空区瓦斯抽采的主要特点是高流量低负压。影响采空区瓦斯抽采的主要因素有：隔离墙的密闭质量、抽放负压。

隔离墙既要有一定长度（不小于6m），又要有一定厚度(不小于0.5m)，而且砌体之间的缝隙应用黄泥浆充填密实，表面抹平，砌体要接触煤层顶板。隔离墙迎风面应与采煤工作面放顶排支柱成钝角布置，以便风流带走隔离墙表面附近的瓦斯，减少上隅角瓦斯超限概率。安顺煤矿对上隅角埋管抽放隔离设置质量作了试验研究：原设置的隔离墙用编织带装煤粉砌筑，编织带之间没有用黄泥浆充填其缝隙，也没用泥浆抹面，抽放浓度最高为4.5%,当采用黄泥浆充填缝隙，并在隔离墙表面用木板墙，然后再用泥浆抹面后，埋管抽放的瓦斯浓度达到6.5%。这充分说明隔离墙质量的重要性。

抽放负压过高不但抽放量增加不多，而且容易吸入空气，降低抽放浓度，还会引起采空区遗煤自燃，具体控制到多少，应根据实际抽放试验确定。

第三章钻探工具及钻孔施工

第一节钻探工具

一、钻机的类别

目前煤矿井下常用的钻机类别主要有杭州钻探机械制造厂的SGZ—I型钻机、煤炭科学研究总院西安分院生产的MK系列钻机及煤炭科学研究总院重庆分院生产的ZSM一250型和ZY一50型钻机等。二、钻机的构造及优缺点 (一)MK系列钻机

主要用途：主要用于煤矿井下钻进地质勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔及

其他工程用孔，既适用于硬质合金钻进，又可使用冲击器进行冲击——回转钻进。

结构分主机、泵站、操作台3大部分。其泵站由电动机、油泵、油箱组成。

其主机由回转器、夹持器、给进装置、机架组成。

优点是结构合理、技术先进、转速范围宽、工艺适应性强、操作省力、安全可靠、解体性好、搬运方便。 (二)SGZ系列钻机

主要用途：适用于工程钻孔和地质勘探取芯钻孔，既能用于钢粒钻进，又能用于金刚石钻进，该机机身小，尤其适应于煤矿井下作业。

结构由动力机和主机两部分组成。其主机有离合器、变速箱、卷扬机、回转器、机架和液压系统等，回转器采用合箱式，立轴给进操作阀设有停止、上升、下降3个位置，节流阀全部打开时，立轴全速下降，全部关闭时，立轴停止不动。