煤礦穿巖順煤層定向長鉆孔消突技術研究與應用

李 義 何少立 尹建國

(1.汾西礦業集團通風處，山西介休032000；2.平安煤礦瓦斯治理國家工程研究中心有限責任公司,安徽淮南232096)

1 研究背景

雙柳煤礦井田內含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，山西組的4（3+4）號煤層和太原組的8、9（8+9）號煤層為礦井主采煤層。礦井目前開采的煤層為4（3+4）煤層，屬突出危險煤層。礦井突出區域劃分3+4煤層在標高+430 m以淺為無突出危險區，+430 m 及以深為突出危險區。根據現場考察，雙柳煤礦3+4煤層各單項指標中，煤樣的破壞類型為Ⅱ類，在構造帶破壞類型為Ⅲ-Ⅳ類，部分區域存在軟分層，目前測定的標高+430m以深區域煤層的瓦斯壓力最大值為2.4MPa。3+4 煤層測點位置煤體的破壞類型，正常區域內為Ⅱ-Ⅲ類，地質構造破壞帶內破壞類型為Ⅳ-Ⅴ類，達到臨界值；煤體堅固性系數最小值為0.36，小于臨界值0.5；煤體瓦斯放散初速度最大值為12.9 mmHg，大于臨界值10 mmHg；3+4煤層的吸附常數a值范圍為28.7866 m3/t～30.4762 m3/t，平均值為29.7281 m3/t，b 值范圍為0.7325 MPa-1～0.9526 MPa-1，平均值為0.8429 MPa-1。雙柳礦區煤層總體呈單一寬緩構造，煤層傾角4～8°，開采標高+170 m～+570 m，煤層屬可抽采煤層。

南、北翼瓦斯治理巷地表標高+715～+780 m，工作面標高+251 m～+301 m,地形復雜，為典型的黃土高原地貌，地形形態主要為侵蝕形，表現為強烈的切割梁、峁狀黃土丘陵，沖溝密集而狹窄，谷底基巖出露，區內植被稀少，水土流失嚴重。巷寬為5.0 m，巷高為3.8 m～4.2 m，平均4 m，巷道設計長度為1 363 m，斷面形狀為矩形，沿煤層向前掘進,煤層傾角3°～6°，平均4°煤層厚度3.2 m～4.0 m，平均厚度為3.75 m，巷道掘進方式為綜掘機掘進，直接頂為3.15 m的粉砂巖，巖性特征為淺灰色，中厚層狀，粉砂狀結構，以石英為主、次為長石，局部具平行層理，平坦狀斷口，明顯接觸關系。巖芯較完整，局部具斜交裂隙，無充填，巖石較堅硬，性脆，老頂為2.50 m 的中粒砂巖，巖性特征為灰白色，中厚層狀，中粒砂狀結構，以石英長石為主，硅質膠結，局部具交錯層理，參差狀斷口，明顯接觸關系。巖石完整，裂隙不發育，巖石致密堅硬。

圖1 巷道布置示意圖

區域瓦斯治理底抽巷布置在3+4 號煤層底板10 m～15 m巖石中，所掘層位為3#、4#煤及其底板巖層，依次為4 m 的3#、4#煤、4.64 m 的砂質泥巖、13.87 m 的細砂巖,巖層賦存穩定，無構造區域能夠保證底抽巷的施工安全，區域瓦斯治理底抽巷（巖巷段）掘進方式采用炮掘。但在地質構造帶，若遇到3 m～5 m 的小斷層，層間距縮小、瓦斯異常涌出，可能會給區域瓦斯治理底抽巷的施工帶來安全隱患，因此在區域瓦斯治理底抽巷巷掘進過程中必須堅持“邊探邊掘”，嚴格控制煤層層位，探明地質構造情況，確保足夠層間距。

因該區域處于強突出危險區，直接在南北翼瓦斯治理巷本巷道施工消突鉆孔不符合相關規定，采取南北翼瓦斯治理巷相互掩護掘進因預抽時間需要工期較長。同時在區域瓦斯治理底抽巷內施工普通穿層鉆孔工程量大、施工周期長，礦井投入成本大，若配套采用水力預裂、水力割縫等增透措施，一方面能減少鉆孔量，一方面能提高抽采效果，考慮到礦井銜接需要，難以保證南翼、北翼瓦斯治理巷盡快形成系統，為其它瓦斯治理工程在時間、空間上創造便利。礦區煤層賦存總體較穩定，斷層發育較少，對煤層破壞較小，破壞類型以Ⅱ類為主，頂底板巖性較穩定，礦壓較小，對煤體的擠壓程度較低，利于煤層鉆孔施工。結合前期在煤層賦存總體較穩定區施工的本煤層長鉆孔情況及消突效果，擬開展底板穿巖順煤層定向長鉆孔預抽掩護煤巷條帶掘進技術研究。

2 穿巖順煤層定向長鉆孔技術參數研究

（1）鉆孔設計

穿巖順煤層定向長鉆孔指的是：鉆機先從巖巷開鉆，穿過10 m～15 m 的煤層底板巖石后進入煤層，并沿著煤層繼續鉆進，直至達到設計長度。鉆機采用VLD1000定向奧鉆，鉆孔孔徑為? 96 mm。

根據雙柳煤礦3+4煤層鉆孔有效抽放半徑參數研究報告可知：抽采6 個月時，有效抽采半徑為4.16 m，故確定鉆孔終孔間距為8 m，首先在區域消突底抽巷巷道左右兩側每隔400 m 施工一個千米鉆場，鉆孔穿過巖層進入煤層中沿煤層施工，每個鉆場內施工鉆孔個數為8～10個，每個鉆場內鉆孔設計長度均為450 m，鉆場與鉆場之間鉆孔壓茬為100 m，避免了出現空白帶，保證了覆蓋巷道及兩側輪廓線外至少20 m 的范圍，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 區域瓦斯治理底抽巷（巖巷）預抽南、北翼瓦斯治理巷（煤巷）鉆孔布置圖

（2）鉆孔封孔工藝

為確保封孔效果，實現鉆孔抽采最大化，在千米鉆場內先按設計將所有鉆孔按孔徑? 96 mm施工至距離巷道頂板法距2 m～5 m 處停鉆（距離底板巷巷幫最近的鉆孔施工至巷道頂板法距5 m 停鉆，其他孔施工至法距2 m 停鉆），采取? 159 鉆頭擴孔10 m 退鉆，后下10 m 護孔管、鉆孔采用“兩堵一注”封孔法進行封孔，注漿壓力不小于4 MPa，直至全部注漿結束，在開鉆前方形成致密帷幕，然后各孔按設計施工到位。

3 穿順層鉆孔抽采效果考察

通過抽采達標劃定的評判區域，瓦斯治理巷底板穿巖順煤層定向長鉆孔預抽掩護區域經計算各項指標符合抽采達標評判要求，具體情況如下：

（1）北翼預抽時間13個月（南翼10個月）；

（2）最大殘余瓦斯含量為4.71 m3/t（南翼4.6 m3/t），可解析瓦斯瓦斯量為3.3 m3/t符合要求；

（3）通過計算殘余瓦斯壓力最大為0.39 MPa，小于0.74 MPa符合要求。

為了驗證消突效果，對底板穿巖順煤層定向長鉆孔預抽消突掩護南北翼瓦斯治理巷煤巷條帶掘進期間進行了跟蹤考察，統計數據并繪制了對應的曲線圖如下：

圖3 各取樣位置不同深度殘余瓦斯含量變化情況

圖4 工作面、回風風流中瓦斯濃度與產量變化曲線圖

圖5 各取樣位置殘余瓦斯含量變化情況

圖6 工作面、回風風流中瓦斯濃度與產量變化曲線圖

為進一步對比預抽效果，對南北翼瓦斯治理巷800 m～1 363 m 使用了區域瓦斯治理底抽巷穿層短鉆孔預抽消突掩護煤巷條帶掘進方式，并對掘進期間進行了跟蹤考察，如圖7所示。

圖7 區域瓦斯治理底抽巷（巖巷）預抽南、北翼瓦斯治理巷（煤巷）鉆孔穿層鉆孔布置圖

（1）北翼預抽時間13個月（南翼10個月）；

（2）最大殘余瓦斯含量為4.52 m3/t（南翼4.34 m3/t），可解析瓦斯瓦斯量為3.13 m3/t符合要求；

（3）通過計算最大殘余瓦斯壓力為0.34 MPa，小于0.74 MPa符合要求。

4 經濟安全效益對比

表1 定向穿順層鉆孔與穿層、順層鉆孔經濟效益對比表

通過對比分析：利用定向穿順層鉆孔對相同長度的巷道進行鉆孔抽采，其施工工程量雖有所增加，但帶來的安全效益顯著，且大幅度縮短瓦斯治理工期。

5 結論

（1）采取從底板巷道施工穿巖順煤層定向長鉆孔替代底板巷普通穿層鉆孔預抽掩護煤巷條帶消突技術，不但達到了預抽消突的目的，且提高了鉆孔利用率，又降低了礦井瓦斯治理成本。采取底板穿巖順煤層定向長鉆孔為主的區域抽采消突方法，防突措施針對性更強，更經濟合理，形成了可靠的消突模式。

（2）根據項目研發與實際應用得出底板穿巖順煤層定向長鉆孔基本適用條件：礦區煤層賦存總體較穩定，斷層發育較少，對煤層破壞較小，破壞類型以Ⅱ類為主；頂底板巖性較穩定，礦壓較小，對煤體的擠壓程度較低，利于煤層鉆孔施工；在礦區采掘活動中通過實驗室分析得出的煤的堅固性系數在煤層賦存穩定區均在0.3以上?；陬愃茥l件下的礦井目前研發應用的定向鉆孔消突技術具有明顯的引領作用，提供了可靠的技術支撐，在類似條件下具有可靠的推廣價值。

（3）對于底板穿巖順煤層定向長鉆孔鉆孔未達到設計深度或鉆孔軌跡間距離超過設計2 m 的，盡管需要采取在底板巷局部施工補充鉆孔填補消突空白區，但該技術的優勢依然明顯。

（4）通過試驗：底板穿巖順煤層定向長鉆孔預抽掩護煤巷條帶消突采取從底板巖巷每30 m 布置效果檢驗鉆孔驗證消突效果的方法是可行的、可靠的，并實現了煤巷掘進工作面連續掘進。