地面井下聯合抽采的防突措施研究

王亞敏

（山西汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

1 防突區段劃分

雙柳煤礦2013年瓦斯等級鑒定，相對瓦斯涌出量為15.17m3/t，絕對瓦斯涌出量為82.01m3/min，為高瓦斯礦井。根據3+4煤層突出危險區域劃分結果，礦井3+4煤層在標高+430 m以淺無突出危險性，標高+430 m以深為突出危險區。無突出危險區劃分為塊段一；33（4）12、33（4）13、33（4）14、33（4）15、33（4）16工作面劃分為塊段二；將深部未開展采掘活動的工作面劃分為塊段三。煤層開采塊段劃分示意圖如圖1所示。

圖1 3+4煤層開采塊段劃分示意圖

塊段三位于33（4）16、33（4）15抽采巷以深區域至井田邊界保護線，所有工作面巷道掘進及回采等開拓開采防突工作必須嚴格按照兩級“四位一體”要求進行，需施工底抽巷穿層鉆孔掩護煤巷掘進，然后配合順層鉆孔掩護工作面的回采作業。塊段三位于井田深部，屬于突出危險區，隨著煤層埋深增加，瓦斯壓力、含量均增大，防突工作也更加艱巨。

2 地面鉆井瓦斯抽采

為了降低雙柳煤礦井田深部區域瓦斯含量，提高瓦斯利用率，煤礦與晉煤藍焰煤層氣公司合作，開展雙柳煤礦深部煤層地面鉆井瓦斯抽采，設計地面鉆井75口。

2.1 技術原理

為縮短深部區域瓦斯抽采時間同時更好地利用瓦斯能源，在深部區域施工地面鉆井進行瓦斯抽采。采用煤層壓裂技術，對3+4煤層進行地面壓裂鉆井預抽采煤層瓦斯。壓裂施工過程一般分為打前置液、加支撐劑、打替置液等幾個階段。

打前置液：壓裂施工開始時，先向煤層壓入具有一定排量的不攜砂壓裂液。水平裂縫，前置液體積在25%以內；對于單一、二維垂直裂縫，前置液體積為25%；對于單一煤層里的裂縫和復雜裂縫，需要的前置液體積為40%～60%。

加支撐劑：根據預先設計的裂縫面積范圍及加砂量向壓裂液內加砂，以便通過壓裂液把砂帶入到煤層裂縫內起到支撐裂縫的作用。必須嚴格控制砂水比，砂水比的大小與壓裂液的壓入速度及壓裂液的性質有關。

打替置液：按預計的加砂量加完砂后，仍需繼續向鉆井壓入10m3以上的不攜砂壓裂液。

2.2 雙柳煤礦地面鉆井施工、抽采情況

地面鉆井布置在井田深部，在井田范圍內共設計75口地面鉆井，目前施工25口，有9口地面井正在抽采。預抽煤層瓦斯時地面鉆井抽采應作為首選措施，地面鉆井將區域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后，再采取井下抽采措施。地面鉆井的布置與瓦斯抽采必須與井下抽采工程及井下抽采相統一。

3 三采大巷延伸段“四位一體”綜合防突措施

3.1 三采大巷延伸段巷道布置情況

雙柳礦新升級為突出礦井，三采區延伸段現階段調整為三條大巷延伸，根據規定突出礦井大巷應全部在巖層中，但下山巷道若全部為巖巷則工程量巨大，考慮到3+4煤層賦存穩定，鉆孔容易抽采，因此將其中的膠帶巷布置在3+4煤層下方10～15 m的巖層中，在3+4煤層中布置回風巷和軌道巷。因大巷延伸段處于突出危險區域，因此大巷延伸總體施工方案為膠帶巷采用底板巷先行，然后從底板巷向上施工穿層鉆孔掩護回風巷，下山大巷布置剖面圖如圖2所示。

圖2 三采延伸段巷道布置剖面圖

3.2 膠帶巷防突措施

三采膠帶巷布置在3+4煤層底板10～15 m巖石中，巖層賦存穩定，無構造區域能夠保證底抽巷的施工安全。但在地質構造帶，若遇到-3m～5m的小斷層，層間距縮小，瓦斯異常涌出，可能會給膠帶巷的施工帶來安全隱患，因此在三采膠帶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。

3.3 三采回風巷區域“四位一體”綜合防突措施

3.3.1 區域防突措施

利用下部的膠帶巷施工上向穿層鉆孔抽采三采回風巷煤層條帶瓦斯，力爭最短時間消除突出危險性。從該巷道中向正上方的三采回風巷煤層條帶施工穿層鉆孔，抽采瓦斯，消除三采回風巷的突出危險性。膠帶巷穿層鉆孔條帶預抽需要控制三采軌道巷欲掘位置及其兩側15m范圍的煤體。穿層鉆孔直徑不小于73mm，一排布置7個鉆孔；7個鉆孔在煤層中厚線處排間距為5m，鉆孔間距為5m。鉆孔穿透煤層，進入煤層頂板0.5m。可根據抽采效果后期在兩組鉆孔之間另補充鉆孔。鉆孔在巷道的鉆場內均勻布置，鉆孔施工完成后在煤層上應呈規則的長方形網格狀布置，抽采時間不小于6個月。

3.3.2 區域措施效果檢驗和驗證

防突措施檢驗的主要指標為實測的最大殘余瓦斯壓力。根據實測最大值檢驗時所依據的臨界值應根據試驗考察確定，在缺少臨界值前可按照瓦斯壓力0.74 MPa選取。在煤巷條帶每間隔50 m布置1個檢驗測試點。存在任意檢測點的壓力測定值達到有突出危險的臨界值時，判定局部措施無效。區域驗證采用鉆屑指標法，測定鉆屑瓦斯解吸指標K1和鉆屑量S。

3.4 三采軌道巷區域“四位一體”綜合防突措施

3.4.1 區域防突措施

待三采回風巷條帶消除危險性后，便可進行巷道的掘進工作。在巷道掘進過程中，可從該巷道中向三采軌道巷方向施工順層鉆孔，采用走向順層鉆孔的方法來抽采軌道巷條帶煤層瓦斯，消除該條帶煤層突出危險性，為軌道巷的安全掘進創造條件。軌道巷與回風巷間距約70m，加上巷幫15m寬的抽采條帶，則順層鉆孔施工長85m，鉆孔直徑不小于73mm，鉆孔間距5～6 m，抽采時間不小于6個月，鉆孔布置如圖3所示。

3.4.2 區域措施效果檢驗和區域驗證

區域防突措施檢驗主要指標為實測的最大殘余瓦斯壓力。根據實測最大值檢驗時所依據的臨界值應根據試驗考察，檢驗方法和區域驗證都與三采回風巷區域的檢驗方法和區域驗證一致。

圖3 走向順層鉆孔布置示意圖

4 首條工作面煤層巷道區域“四位一體”綜合防突措施

4.1 區域防突措施

4.1.1 底抽巷道布置

雙柳煤礦3+4煤層深部最大實測壓力達2.4 MPa（標高+385.1 m）。考慮到使用千米鉆機可施工長度超過500 m抽采鉆孔，因此在突出危險區決定采用底抽巷穿層鉆孔來掩護突出危險區煤巷的掘進。底抽巷布置及工作面服務關系如表1所示。

表1 深部區域底抽巷布置與服務工作面關系表

4.1.2 穿層鉆孔布置及抽采

由于千米鉆機上向鉆孔長度在550～600 m，根據這一情況，為降低施工難度，對于每個底抽巷服務的三個工作面，深部的工作面巷道通過在底抽巷施工穿層鉆孔來掩護巷道掘進，而其他工作面巷道可在最上工作面巷道和最下工作面巷道施工順層長鉆孔來掩護巷道掘進。如33（4）21底抽巷，33（4）21工作面運巷掘進通過施工穿層鉆孔掩護，然后在33（4）15抽采巷向下打順層鉆孔，在33（4）21運巷利用千米鉆機向上打順層長鉆孔，保證鉆孔壓茬不低于30 m。

將鉆孔均勻布置在巷道的鉆場內，或者直接布置在巷道頂板或側幫上。煤層中厚線處排距5 m，傾向上每排施工7個鉆孔，鉆孔開口處間距0.5 m，至煤層中厚線處孔間距5 m；鉆孔直徑不小于75 mm，鉆孔間距以3+4煤層中厚線兩個鉆孔在煤層中長度的中點距離為準；鉆孔由下向上施工，穿透煤層進入煤層頂板0.5 m，保證無防突空白區域，如抽采效果不達標，后期可在兩組鉆孔之間另補充鉆孔。

穿層鉆孔可用水泥砂漿封孔，封孔長度在5 m以上，抽采負壓在13 kPa以上，抽采時間不小于6個月。待煤巷條帶經效果檢驗和區域驗證消除突出危險后便可施工3+4煤層的煤層巷道。

4.2 區域措施效果檢驗

區域防突措施檢驗的主要指標為實測的最大殘余瓦斯壓力。根據實測最大值檢驗時所依據的臨界值應根據試驗考察確定，在缺少臨界值前可按照瓦斯壓力0.74 MPa選取。根據檢測數值來進行局部措施有效性判定。檢驗方法和區域驗證與前文相同。

5 結語

對雙柳煤礦3+4煤層突出危險區塊段三區域的“四位一體”綜合防突措施進行了分析研究，采取地面井下聯合抽采防突措施治理瓦斯，效果明顯，且能降低抽采成本和瓦斯治理費用，是中小煤礦突出危險區防突措施的有效治理方法。