掘进巷道中瓦斯抽采钻孔布置优化对抽采效率的影响分析

引言

随着煤矿开采深度的增加，瓦斯灾害日益严重，尤其是掘进巷道，由于其空间狭小、通风条件复杂，瓦斯积聚风险高，严重威胁安全生产。瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的有效手段，而钻孔布置作为瓦斯抽采的关键环节，直接影响抽采效率。传统的钻孔布置方式往往采用经验值，缺乏对瓦斯赋存规律和地质条件的针对性分析，导致抽采盲区存在、抽采时间长、效率低等问题。因此，开展掘进巷道瓦斯抽采钻孔布置优化研究，对提高瓦斯抽采效率、保障煤矿安全生产具有重要意义。

1 掘进巷道瓦斯抽采钻孔布置现状及问题

1.1 传统钻孔布置方式

当前煤矿掘进巷道瓦斯抽采钻孔的传统布置模式，以施工便利性为主要导向，形成了具有行业普遍性的技术特征。采用等间距平行布置为主，钻孔间距多设定在 1.5–2m 区间。例如，某矿 3105 运输巷掘进期间，沿巷道两帮每隔 1.8m 施工抽采钻孔，钻孔轴线与巷道轴线夹角固定为 20^∘ ，形成规则的网格状布置。钻孔深度通常与掘进循环进度挂钩，一般控制在 10-20m 。如综掘工作面日掘进 8m 时，钻孔深度多设计为 15m，确保抽采范围超前掘进面 5.7m 。采用履带式钻机施工，配套 Φ75mm 钻头，单孔施工时间约 20-30 分钟，成孔后直接连接 Φ50mm 瓦斯抽采管路，抽采负压维持在 13-16kPa。在2010-2020 年间的煤矿掘进工程中占比超过 70% ，其技术优势在于施工流程标准化程度高，无需复杂的地质数据支撑，适合瓦斯赋存条件简单的中浅部煤层。

1.2 存在的核心问题

传统布置方式在深部开采、复杂地质条件下暴露出显著局限性，具体表现为"三不匹配"。

1.2.1 抽采覆盖范围与瓦斯赋存的空间不匹配

煤层中瓦斯含量梯度差异显著，如某矿实测数据显示，同一煤层内瓦斯含量从 8m³/t 到 15m³/t 不等，但传统均匀布置的钻孔对高含量区域（如构造煤发育带）未加密布置，导致抽采盲区占比达 30‰ 根据瓦斯流动理论，在透气性系数 3m²/(MPa²⋅d) 的煤层中， Φ75mm 钻孔的有效抽采半径仅 0.8–1.0m ，但传统 2m 间距的钻孔实际影响范围重叠率不足 40% ，形成大量未抽采区域。

1.2.2 钻孔参数与瓦斯运移规律的动态不匹配

平行于巷道轴线的钻孔布置，与煤层原生裂隙走向（通常与煤层倾向呈 30°-45°夹角）存在明显偏差。某矿采用声发射监测发现，传统钻孔布置下，瓦斯沿裂隙流向钻孔的有效流量仅为理论值的62‰ 。当掘进面揭露断层、褶曲等地质构造时，传统钻孔深度未根据瓦斯压力变化（如构造带瓦斯压力可达 3MPa 以上）动态调整，导致抽采周期延长 50% 以上。

2 钻孔布置参数对瓦斯抽采效率的影响分析

2.1 钻孔间距的影响

钻孔间距直接决定了瓦斯抽采的空间覆盖效率与经济性。在瓦斯运移过程中，单孔的有效影响范围呈近似椭球体分布，其大小与煤层透气性密切相关。当钻孔间距超过单孔有效影响半径的叠加阈值时，相邻钻孔间会形成未抽采盲区；而间距过小则会导致钻孔施工成本显著增加，且孔间负压干扰效应加剧，反而降低抽采效率。

通过对透气性系数为 5m²/(MPa²⋅ ・d)的煤层进行数值模拟发现，当钻孔间距从 2m 减小至 1.2m 时，抽采影响范围内瓦斯压力下降速度由 0.08MPa/d 提升至 0.1MPa/d ，增幅达 25% 。这是由于较小的间距使得钻孔影响区域重叠率从 30% 提升至 70% ，瓦斯渗流路径缩短，流动阻力降低。但当间距进一步缩小至 1m 以下时，相邻钻孔产生的负压场相互干扰，导致部分区域瓦斯流线紊乱，抽采效率提升幅度由 25% 骤降至 5% ，验证了存在最佳间距区间。在某矿现场试验中，将原 2m 间距调整为 1.5m 后，单孔平均抽采流量从 0.12m³/min 提升至 0.15m³/min ，抽采达标时间由 15 天缩短至 10 天，同时施工成本仅增加 8% ，证明了合理缩小间距对提升效率的有效性。

2.2 钻孔角度的影响

钻孔角度与瓦斯流动路径的匹配程度直接影响抽采效率。瓦斯在煤层中的渗流方向主要受地应力、裂隙发育方向和煤层倾角的控制。当钻孔轴线与瓦斯主要渗流方向存在较大夹角时，瓦斯需通过更复杂的路径流入钻孔，导致流动阻力显著增加。以倾角 12^∘ °的煤层为例，现场实测数据显示，当钻孔与煤层倾向呈反向 10^∘ 夹角布置时，瓦斯流入钻孔的速度较平行布置提高 18%_o 。这是因为该角度布置有效利用了瓦斯自重分力，同时减少了瓦斯在裂隙网络中的迂回流动。此外，合理的钻孔角度还能显著降低施工风险。在某矿掘进实践中，将原平行于巷道轴线的钻孔角度调整为与断层走向呈 45^∘ °夹角后，钻孔遇断层概率从 28% 降至 8% ，塌孔率减少 60% ，保障了抽采系统的稳定性和持续性。

2.3 钻孔深度的影响

钻孔深度与瓦斯抽采效率的关联呈现典型的"双阈值效应"，其核心在于平衡抽采范围需求与施工可行性。当钻孔深度不足时，抽采影响范围无法覆盖掘进前方的瓦斯富集区域，导致工作面瓦斯超限风险增加；而深度过大则会引发钻孔变形、塌孔等问题，反而降低抽采效果。

在正常地质条件（煤层完整性较好、地应力适中）下，钻孔深度控制在 15-25m 时综合效益最佳。以某矿 21101 运输巷为例，当钻孔深度从 10m 延长至 20m 时，抽采影响范围从超前掘进面 5m 扩展至15m，瓦斯抽采率从 35% 提升至 65% ，有效保障了掘进面的安全生产。但深度超过 25m 后，钻孔在软岩段的变形率显著上升——实测显示，30m 深度钻孔的塌孔率达 22% ，抽采管路堵塞频率较 20m 钻孔

增加 3 倍，导致实际抽采流量下降 18%₉

钻孔深度还需与掘进进度动态匹配。在日掘进 8m 的综掘工作面，20m 深度钻孔可维持 12m 的超前抽采距离，既能保证抽采时间（1.5 天/循环），又能预留 2m 以上的封孔长度以维持负压稳定（15-18kPa）。若深度不足 15m，超前抽采距离缩短至 7m 以下，抽采时间仅能满足 1 天/循环，瓦斯抽采率将下降至 40% 以下，无法满足《防治煤与瓦斯突出规定》的要求。

2.4 钻孔布置方式的影响

钻孔布置方式的选择直接决定了抽采系统对瓦斯赋存特征的适配性，常见的平行布置、扇形布置和交叉布置在不同地质条件下呈现显著效率差异。

2.4.1 平行布置

该方式将钻孔沿巷道轴线方向等间距布置，适用于瓦斯含量变异系数<15%的均一煤层。其优点是施工便捷（钻机无需频繁调整角度），单孔施工时间较扇形布置缩短 30% ，但在瓦斯分布不均区域易形成抽采盲区。某矿在瓦斯含量变异系数 12%的煤层中应用平行布置（间距 1.5m），抽采 10 天后区域瓦斯抽采率达 70% ，验证了其在均一煤层中的适用性。

2.4.2 扇形布置

通过不同角度的钻孔组合（如中心孔+两侧斜孔）扩大抽采覆盖范围，适用于瓦斯含量高、分布不均的区域（变异系数> 20% ）。在某矿北翼回风巷试验中，采用 7 孔扇形布置（中心孔 0°+两侧 ± 15^∘ °、 ±30^∘ 孔）较传统平行布置，抽采影响范围从单排 12m 扩展至 20m ，瓦斯抽采效率提升 22% ，工作面瓦斯浓度从 0.8% 降至 0.56% 。该方式尤其适用于构造煤发育带，可通过多角度钻孔覆盖不同方向的裂隙网络。

2.4.3 交叉布置

通过垂直钻孔与倾斜钻孔的空间互补（如水平孔+上向孔），进一步消除抽采盲区。在某矿裂隙发育区域（裂隙密度 >5 条/m）应用交叉布置后，钻孔控制范围内的瓦斯抽采率从扇形布置的 75% 提升至 88% ，特别是对沿垂直裂隙运移的瓦斯捕捉效率提升显著。但该方式施工成本较高（需更换钻机角度或使用多臂钻车），单排钻孔施工时间较平行布置增加 50%_⨀⨀ 。

3 掘进巷道瓦斯抽采钻孔布置优化方案

3.1 优化原则

根据煤层瓦斯赋存特征（透气性、压力、含量）和地质条件（倾角、构造）确定钻孔参数；在保证抽采效果的前提下，降低钻孔施工成本；结合巷道掘进进度，实时调整钻孔布置方案。

3.2 具体优化方案

根据煤层透气性系数确定，透气性系数大于 5m²/(MPa²⋅d)l 时，间距取 1.2-1.5m；小于 5m²/(MPa² ・d)时，间距取 0.8–1.2m ；钻孔角度与煤层倾角呈反向 5^∘ -15°夹角，遇地质构造时适当调整；钻孔深度一般为 15-25m ，结合掘进速度和瓦斯抽采周期动态调整。对于瓦斯含量高、分布不均匀的区域，采用扇形布置或交叉布置；瓦斯赋存均匀区域采用平行布置，并在巷道两侧增加斜向钻孔，扩大抽采范围。

4 工程应用与效果分析

4.1 工程概况

某矿 21101 掘进巷道，煤层平均厚度 2.5m ，倾角 12^∘ ，瓦斯含量 12m³/t ，透气性系数 4.2m², /(MPa²・d)。原采用平行钻孔布置，间距 2m ，角度平行于巷道轴线，深度 15m ，瓦斯抽采效率低，工作面瓦斯浓度时常超限。

4.2 优化方案实施

采用优化后的钻孔布置方案：钻孔间距调整为 1.2m，角度与煤层倾角呈反向 10^∘ 夹角，深度 20m ，布置方式改为扇形布置，每排布置 8 个钻孔，覆盖巷道前方及两侧 20m 范围。

5 结论

钻孔间距、角度、深度及布置方式等参数对掘进巷道瓦斯抽采效率具有显著影响，合理优化这些参数可大幅提高抽采效率；基于煤层瓦斯赋存特征和地质条件的钻孔布置优化方案，能够有效减少抽采盲区，提升抽采效果；现场应用表明，优化后的钻孔布置方案使瓦斯抽采效率提高 35% ，降低了工作面瓦斯浓度，为煤矿掘进巷道瓦斯防治提供了可靠的技术支持。未来可进一步结合智能化监测技术，实现钻孔布置的动态智能优化。

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