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[摘 要]城郊煤矿为瓦斯矿井，但2903综采工作面属于瓦斯异常区域，为了降低工作面回采期间瓦斯浓度，解决工作面瓦斯超限，实现工作面的安全、高效回采工作，在工作面回采前施工本煤层瓦斯抽放钻孔对工作面瓦斯进行抽放。钻孔施工采用中煤科工集团重庆研究院ZYW-3200煤矿用全液压钻机，由于施工钻孔巷道净宽为4.2m，且巷道内已安装皮带，根据现有巷道空间条件布置钻孔施工较困难，为了满足钻孔施工设计需要，根据ZYW-3200煤矿用全液压钻机的技术参数对其进行了结构设计和优化，并进行了钻孔施工试验。试验结果表明该钻机设备优化后满足企业标准的要求，达到施工要求，使用效果较好。
[关键词]本煤层瓦斯抽放 巷道空间 全液压钻机 设备结构 优化
中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0082-02
一、概况
城郊煤矿2903工作面位于二水平东翼九采区，工作面东为九采区轨道、胶带集中巷，南为实体煤，西为火成岩侵蚀区及实体煤，北为2902工作面采空区。工作面走向长1023m，倾斜长175.4m，面积179434m2，标高为-702～-814m；工作面二2煤层位较稳定，煤层倾角2～20°，平均5°，工作面掘进实际揭露煤层厚度总体变化不大，煤厚最大3.66m，最小2.07m，平均2.87m，工作面资源量51.4万吨，可采储量48.9万吨。本工作面整体为一宽缓的单斜构造，工作面煤层倾角变化较大，外段煤层倾角平均约16°，里段煤层较平缓，平均约3°～4°。根据工作面已掘巷道及2902胶带顺槽实际揭露情况看，该工作面地质构造较为简单，胶带顺槽共揭露断层9条，落差最大2.3m，最小0.7m。开采范围内属局部瓦斯异常区，根据相邻工作面2902在回采期间，绝对瓦斯涌出为3.89 m？/min，工作面胶带顺槽在掘进期间平均绝对瓦斯涌出为0.94 m？/min。2903胶带顺槽通尺940m处测定煤层瓦斯含量为8.5535m？/t，通尺843m处测定瓦斯含量为7.2124 m？/t。本区域煤层无自燃发火倾向，无煤尘爆炸危险性。
二、施工本煤层瓦斯抽放的必要性
1、相邻的2902工作面采掘期间瓦斯涌出概况
（1）掘进期间瓦斯涌出情况：2902工作面在掘进期间瓦斯涌出量相对大，2902胶带顺槽在掘进期间平均绝对瓦斯涌出量0.51 m3/min，平均最大瓦斯涌出量为1.20 m3/min，具体详见表1。
（2）回采期间瓦斯涌出情况
未使用抽放系统前：2902工作面回采期间，回风流瓦斯浓度较大，平均达0.48%，最大0.71%，回风隅角处瓦斯浓度偏高。
安装抽放系统后：回采期间回风流平均瓦斯浓度为0.25%，最大瓦斯浓度为0.57%，工作面风量平均为1320 m3/min，风排绝对瓦斯涌出量平均为3.3m3/min，最大值为7.52 m3/min，回风隅角瓦斯浓度一般在1.4%。
（3）2903工作面掘进期间通风瓦斯情况
2903胶带顺槽在掘进期间瓦斯涌出量相对较大，掘进期间用2趟风筒向工作面供风，平均绝对瓦斯涌出量为0.75 m3/min，最大绝对瓦斯涌出量平均值为1.29 m3/min。
（4）2903工作面瓦斯涌出量预计
2903工作面与2902工作面为同一煤层相邻采煤工作面，瓦斯赋存及涌出规律基本相似。通过对比分析2902工作面采掘期间瓦斯涌出规律，以及2902、2903工作面的瓦斯含量，来预计2903工作面在回采期间瓦斯涌出量。
通过表1可以看出，2903工作面瓦斯含量是2902工作面的1.68倍；2903胶带顺槽掘进期间瓦斯涌出量是2902胶带顺槽掘进期间的1.47倍，后巷瓦斯涌出量相对较大。
通过以上分析2903工作面按月产量为6万吨计算，回采期间绝对瓦斯涌出量将达到13.42m3/min以上。根据矿井采掘接替，预计3月初开始回采。2703工作面下段2014年1月份开始收尾回撤，工作面上段4月份回撤。4月份2702轨道顺槽、2702胶带顺槽及车场开始掘进，东风井通风系统服务的其他采掘工作面基本变化不大。
根据通风仿真系统进行模拟2903工作面贯通后，工作面风量预计达822m3/min。2703工作面回撤完毕后，工作面风量预计达1278m3/min。
回采初期预计风量为822m3/min，则回采初期工作面回风流平均瓦斯浓度达0.59%；2703工作面回撤结束后风量为1278m3/min，工作面回风流瓦斯平均浓度达0.38%。
工作面回风流平均瓦斯浓度一般为最大瓦斯浓度的一半，则工作面回采初期，回风流瓦斯浓度将经常达到超限临界状态，即使到后期风量达到1278 m3/min，回风流瓦斯浓度也将经常达到超限预警值。因此，有必要采取本煤层抽放措施，提前预抽煤层瓦斯，降低煤层瓦斯含量，从而降低生产过程中的瓦斯涌出量。
三、优化前施工方案
2903轨道顺槽每隔3m施工1个与巷道方位角夹角为90°的顺层钻孔，本煤层钻孔长度均为98m。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔长度不低于12m。
2903胶带顺槽由于安装有皮带，如果钻机骑着皮带施工，需要将皮带向行人侧调整，才能正常施工接钻杆，如果不调整无法实现接钻杆，为了加快施工进度决定对2903胶带顺槽采用倾斜摆放钻机，沿2903胶带顺槽每隔4m布置一个与巷道方位角夹角为50°的顺层钻孔，钻孔长度均为98m。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔长度不低于12m。见图1、图2：
四、施工方案存在问题
1、由于钻机斜角打入煤层，这样现场施工需要两个角度，一个是倾角一个是与巷道夹角。倾角参照钻机轨道可以测量，夹角就需要通过巷道导线点进行确定。由于施工人员整体素质不高，对角度的确定难道大、精度低、操作慢，直接影响正常生产。 2、由于钻机倾角打入煤层，稳钻难度大、安全系数低、影响施工进度，同时由于钻机斜角稳钻造成钻机受力不平衡，打钻过程中不顺畅，同时钻机夹持器更换频率高。
3、由于施工本煤层孔，移钻频率高，钻机处于倾角状态，移钻过程中钻机平衡比较难控制，安全系数低、操作难度大。
4、由于钻机倾角状态，在接钻杆过程中操作钻机人员无法协助接钻杆，完全一个人在接钻杆，施工速度慢、安全系数低。
5、由于钻机倾角摆放，接钻杆人员必须在皮带过桥上操作，存在有个人职工在卸水辫时不方便，脚踏在皮带大架上，特别是皮带运转过程中非常危险。
6、由于2903胶带顺槽设计的钻孔是斜孔，2903轨道顺槽钻孔是直孔，怕两个顺槽孔穿孔造成抽放效果差，为此两个顺槽钻孔没有进行搭接，中间有空白带。
五、瓦斯钻孔设备优化方案
目的：一是通过改造钻孔设备为钻机平衡摆放提供条件；二是为打钻过程中人员操作提供安全条件；三是为移钻、稳钻提供安全、快捷条件。
关键点1：
防喷装置解体，防喷装置整体1.2m长，前孔口入管为0.8m左右，由于施工空间狭窄，在开孔打钻前无法安装防喷装置，只有对钻孔先开孔并且扩孔才能安装防喷装置，造成钻孔封孔难度大，联抽后容易出现漏气现象。所以对防喷装置进行接替，将孔口入管和防喷容器解体，解体后孔口入管和防喷容器分别加工法兰盘，先将孔口管放入到钻孔内，同时将防喷装置容器套到钻杆上后用螺栓进行连接固定。见图3.
关键点2：
防喷装置容器体积优化，为了进一步节约空间，在保证防喷装置最大化起到防喷、抽瓦斯及降尘作用的同时，将防喷装置容器由原来的0.4m减少到0.3m，为钻机摆放提供了空间。见图3.
关键点3：
通过以上两个关键点已经为钻机平衡摆放提供了0.9m的空间，但是由于钻机靠四条腿支撑，前后腿之间为固定距离，如果将钻机摆正皮带架子影响。在保证钻机稳定的情况下，对钻机前后腿分别前移0.40m，两腿之间为1.4m，对钻机底座富裕部分切除，减少了钻机底座整体长度。不但保证了钻机的稳定性，同时具备了钻机平衡放置的空间。见图4.
关键点4：
通过对钻机腿前移解决了钻机平衡摆放，但是由于钻机底座较大，还处于皮带下面，如果在移动钻机时底座后面与皮带架子错不开，为此对钻机底座支腿后部分去除，保证移钻期间钻机平衡前移的条件。
关键点5：
施工人员在移钻过程中都是靠手拉葫芦对钻机进行起吊机身倾斜前移，这样对起吊要求、人员站位、起吊设备等要求比较高、操作难度大、安全系数低等现状。要对钻机底座改造成滑犁装，通过液压单体支柱固定在地锚上，利用单体支柱的伸缩段来前移钻机。既解决了施工人员的劳动强度有保证了安全。
六、效果分析
1、钻机受力平衡，施工钻孔比较顺畅。由于钻机平衡摆放，钻杆在打入和起钻时受力均匀，施工比较顺畅，同时解决了钻机加持器由于受力不均匀磨损严重的现象。
2、施工人员的安全有了保障。一是移钻、稳钻期间施工人员的安全有了保障；二是钻机平衡放置后，接钻杆的人员不用站在皮带过桥上，直接在皮带另一侧接钻杆，同时操作钻机人员可以协助安装钻杆，保障了施工安全。
3、消除重大安全隐患空白带。通过钻机的平衡摆放，2903轨道顺槽及胶带顺槽各每隔3m施工1个顺层钻孔，钻孔垂直于顺槽巷帮布置，即与巷道方位角夹角为90°。钻孔长度均为95m，保证相向交叉长度不小于10m，消除了空白带。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔段长度不低于8m。见图5。
4、瓦斯抽放钻孔质量有了保障。原来需要调整两个角度，现在只需要调整煤层倾角，并且根据煤层倾角变化调整钻机角度又比较容易调整，钻孔质量有了保障，实现抽放效果最大化。
5、降低了施工人员的劳动强度，提高功效。一是移钻、稳钻、接钻杆大大降低了工人的劳动强度；二是在调整钻机角度大大降低了工作时间，真正的实现了优化的目的。
参考文献
[1] 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996.
[2] 陈长春.综放工作面高位裂隙钻孔瓦斯抽放技术实践[J].矿业安全与环保，2012，39（4）：63-64.
[3] 何现平，刘波.高位裂隙钻孔瓦斯抽放技术的应用[J].河北煤炭，2010，（4）：29-30，36.
[4] 翟成，林柏泉，吴海进.顶板高位钻孔抽放在瓦斯治理中的应用[J].煤炭工程， 2005，（9）：4-7.
[5] 王省身，俞启香，等.矿井灾害防治理论与技术[M].徐州：中国矿业学院出版社，1986.
[6] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社， 2001.
[7] 王清峰；基于可靠性最优化的新型钻机的研究[D]；重庆大学；2002年
作者简介：杜海涛（1987，08—— ），男，汉族，河南 商城，河南理工大学安全工程专业学士，主要从事矿井瓦斯防治研究工作，现在河南煤业化工集团永煤公司城郊煤矿工作。
[关键词]本煤层瓦斯抽放 巷道空间 全液压钻机 设备结构 优化
中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0082-02
一、概况
城郊煤矿2903工作面位于二水平东翼九采区，工作面东为九采区轨道、胶带集中巷，南为实体煤，西为火成岩侵蚀区及实体煤，北为2902工作面采空区。工作面走向长1023m，倾斜长175.4m，面积179434m2，标高为-702～-814m；工作面二2煤层位较稳定，煤层倾角2～20°，平均5°，工作面掘进实际揭露煤层厚度总体变化不大，煤厚最大3.66m，最小2.07m，平均2.87m，工作面资源量51.4万吨，可采储量48.9万吨。本工作面整体为一宽缓的单斜构造，工作面煤层倾角变化较大，外段煤层倾角平均约16°，里段煤层较平缓，平均约3°～4°。根据工作面已掘巷道及2902胶带顺槽实际揭露情况看，该工作面地质构造较为简单，胶带顺槽共揭露断层9条，落差最大2.3m，最小0.7m。开采范围内属局部瓦斯异常区，根据相邻工作面2902在回采期间，绝对瓦斯涌出为3.89 m？/min，工作面胶带顺槽在掘进期间平均绝对瓦斯涌出为0.94 m？/min。2903胶带顺槽通尺940m处测定煤层瓦斯含量为8.5535m？/t，通尺843m处测定瓦斯含量为7.2124 m？/t。本区域煤层无自燃发火倾向，无煤尘爆炸危险性。
二、施工本煤层瓦斯抽放的必要性
1、相邻的2902工作面采掘期间瓦斯涌出概况
（1）掘进期间瓦斯涌出情况：2902工作面在掘进期间瓦斯涌出量相对大，2902胶带顺槽在掘进期间平均绝对瓦斯涌出量0.51 m3/min，平均最大瓦斯涌出量为1.20 m3/min，具体详见表1。
（2）回采期间瓦斯涌出情况
未使用抽放系统前：2902工作面回采期间，回风流瓦斯浓度较大，平均达0.48%，最大0.71%，回风隅角处瓦斯浓度偏高。
安装抽放系统后：回采期间回风流平均瓦斯浓度为0.25%，最大瓦斯浓度为0.57%，工作面风量平均为1320 m3/min，风排绝对瓦斯涌出量平均为3.3m3/min，最大值为7.52 m3/min，回风隅角瓦斯浓度一般在1.4%。
（3）2903工作面掘进期间通风瓦斯情况
2903胶带顺槽在掘进期间瓦斯涌出量相对较大，掘进期间用2趟风筒向工作面供风，平均绝对瓦斯涌出量为0.75 m3/min，最大绝对瓦斯涌出量平均值为1.29 m3/min。
（4）2903工作面瓦斯涌出量预计
2903工作面与2902工作面为同一煤层相邻采煤工作面，瓦斯赋存及涌出规律基本相似。通过对比分析2902工作面采掘期间瓦斯涌出规律，以及2902、2903工作面的瓦斯含量，来预计2903工作面在回采期间瓦斯涌出量。
通过表1可以看出，2903工作面瓦斯含量是2902工作面的1.68倍；2903胶带顺槽掘进期间瓦斯涌出量是2902胶带顺槽掘进期间的1.47倍，后巷瓦斯涌出量相对较大。
通过以上分析2903工作面按月产量为6万吨计算，回采期间绝对瓦斯涌出量将达到13.42m3/min以上。根据矿井采掘接替，预计3月初开始回采。2703工作面下段2014年1月份开始收尾回撤，工作面上段4月份回撤。4月份2702轨道顺槽、2702胶带顺槽及车场开始掘进，东风井通风系统服务的其他采掘工作面基本变化不大。
根据通风仿真系统进行模拟2903工作面贯通后，工作面风量预计达822m3/min。2703工作面回撤完毕后，工作面风量预计达1278m3/min。
回采初期预计风量为822m3/min，则回采初期工作面回风流平均瓦斯浓度达0.59%；2703工作面回撤结束后风量为1278m3/min，工作面回风流瓦斯平均浓度达0.38%。
工作面回风流平均瓦斯浓度一般为最大瓦斯浓度的一半，则工作面回采初期，回风流瓦斯浓度将经常达到超限临界状态，即使到后期风量达到1278 m3/min，回风流瓦斯浓度也将经常达到超限预警值。因此，有必要采取本煤层抽放措施，提前预抽煤层瓦斯，降低煤层瓦斯含量，从而降低生产过程中的瓦斯涌出量。
三、优化前施工方案
2903轨道顺槽每隔3m施工1个与巷道方位角夹角为90°的顺层钻孔，本煤层钻孔长度均为98m。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔长度不低于12m。
2903胶带顺槽由于安装有皮带，如果钻机骑着皮带施工，需要将皮带向行人侧调整，才能正常施工接钻杆，如果不调整无法实现接钻杆，为了加快施工进度决定对2903胶带顺槽采用倾斜摆放钻机，沿2903胶带顺槽每隔4m布置一个与巷道方位角夹角为50°的顺层钻孔，钻孔长度均为98m。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔长度不低于12m。见图1、图2：
四、施工方案存在问题
1、由于钻机斜角打入煤层，这样现场施工需要两个角度，一个是倾角一个是与巷道夹角。倾角参照钻机轨道可以测量，夹角就需要通过巷道导线点进行确定。由于施工人员整体素质不高，对角度的确定难道大、精度低、操作慢，直接影响正常生产。 2、由于钻机倾角打入煤层，稳钻难度大、安全系数低、影响施工进度，同时由于钻机斜角稳钻造成钻机受力不平衡，打钻过程中不顺畅，同时钻机夹持器更换频率高。
3、由于施工本煤层孔，移钻频率高，钻机处于倾角状态，移钻过程中钻机平衡比较难控制，安全系数低、操作难度大。
4、由于钻机倾角状态，在接钻杆过程中操作钻机人员无法协助接钻杆，完全一个人在接钻杆，施工速度慢、安全系数低。
5、由于钻机倾角摆放，接钻杆人员必须在皮带过桥上操作，存在有个人职工在卸水辫时不方便，脚踏在皮带大架上，特别是皮带运转过程中非常危险。
6、由于2903胶带顺槽设计的钻孔是斜孔，2903轨道顺槽钻孔是直孔，怕两个顺槽孔穿孔造成抽放效果差，为此两个顺槽钻孔没有进行搭接，中间有空白带。
五、瓦斯钻孔设备优化方案
目的：一是通过改造钻孔设备为钻机平衡摆放提供条件；二是为打钻过程中人员操作提供安全条件；三是为移钻、稳钻提供安全、快捷条件。
关键点1：
防喷装置解体，防喷装置整体1.2m长，前孔口入管为0.8m左右，由于施工空间狭窄，在开孔打钻前无法安装防喷装置，只有对钻孔先开孔并且扩孔才能安装防喷装置，造成钻孔封孔难度大，联抽后容易出现漏气现象。所以对防喷装置进行接替，将孔口入管和防喷容器解体，解体后孔口入管和防喷容器分别加工法兰盘，先将孔口管放入到钻孔内，同时将防喷装置容器套到钻杆上后用螺栓进行连接固定。见图3.
关键点2：
防喷装置容器体积优化，为了进一步节约空间，在保证防喷装置最大化起到防喷、抽瓦斯及降尘作用的同时，将防喷装置容器由原来的0.4m减少到0.3m，为钻机摆放提供了空间。见图3.
关键点3：
通过以上两个关键点已经为钻机平衡摆放提供了0.9m的空间，但是由于钻机靠四条腿支撑，前后腿之间为固定距离，如果将钻机摆正皮带架子影响。在保证钻机稳定的情况下，对钻机前后腿分别前移0.40m，两腿之间为1.4m，对钻机底座富裕部分切除，减少了钻机底座整体长度。不但保证了钻机的稳定性，同时具备了钻机平衡放置的空间。见图4.
关键点4：
通过对钻机腿前移解决了钻机平衡摆放，但是由于钻机底座较大，还处于皮带下面，如果在移动钻机时底座后面与皮带架子错不开，为此对钻机底座支腿后部分去除，保证移钻期间钻机平衡前移的条件。
关键点5：
施工人员在移钻过程中都是靠手拉葫芦对钻机进行起吊机身倾斜前移，这样对起吊要求、人员站位、起吊设备等要求比较高、操作难度大、安全系数低等现状。要对钻机底座改造成滑犁装，通过液压单体支柱固定在地锚上，利用单体支柱的伸缩段来前移钻机。既解决了施工人员的劳动强度有保证了安全。
六、效果分析
1、钻机受力平衡，施工钻孔比较顺畅。由于钻机平衡摆放，钻杆在打入和起钻时受力均匀，施工比较顺畅，同时解决了钻机加持器由于受力不均匀磨损严重的现象。
2、施工人员的安全有了保障。一是移钻、稳钻期间施工人员的安全有了保障；二是钻机平衡放置后，接钻杆的人员不用站在皮带过桥上，直接在皮带另一侧接钻杆，同时操作钻机人员可以协助安装钻杆，保障了施工安全。
3、消除重大安全隐患空白带。通过钻机的平衡摆放，2903轨道顺槽及胶带顺槽各每隔3m施工1个顺层钻孔，钻孔垂直于顺槽巷帮布置，即与巷道方位角夹角为90°。钻孔长度均为95m，保证相向交叉长度不小于10m，消除了空白带。封孔材料采用矿用合成树脂+膨胀水泥，封孔段长度不低于8m。见图5。
4、瓦斯抽放钻孔质量有了保障。原来需要调整两个角度，现在只需要调整煤层倾角，并且根据煤层倾角变化调整钻机角度又比较容易调整，钻孔质量有了保障，实现抽放效果最大化。
5、降低了施工人员的劳动强度，提高功效。一是移钻、稳钻、接钻杆大大降低了工人的劳动强度；二是在调整钻机角度大大降低了工作时间，真正的实现了优化的目的。
参考文献
[1] 林柏泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996.
[2] 陈长春.综放工作面高位裂隙钻孔瓦斯抽放技术实践[J].矿业安全与环保，2012，39（4）：63-64.
[3] 何现平，刘波.高位裂隙钻孔瓦斯抽放技术的应用[J].河北煤炭，2010，（4）：29-30，36.
[4] 翟成，林柏泉，吴海进.顶板高位钻孔抽放在瓦斯治理中的应用[J].煤炭工程， 2005，（9）：4-7.
[5] 王省身，俞启香，等.矿井灾害防治理论与技术[M].徐州：中国矿业学院出版社，1986.
[6] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社， 2001.
[7] 王清峰；基于可靠性最优化的新型钻机的研究[D]；重庆大学；2002年
作者简介：杜海涛（1987，08—— ），男，汉族，河南 商城，河南理工大学安全工程专业学士，主要从事矿井瓦斯防治研究工作，现在河南煤业化工集团永煤公司城郊煤矿工作。