屯蘭煤礦超前排放鉆孔有效排放半徑的研究

高俊奇

（西山煤電屯蘭礦通風區，山西 古交 030206）

屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，隨著煤礦開采深度的增加，瓦斯壓力、地應力也在增大，煤與瓦斯突出危險也就隨之加大。在執行局部防突措施過程中，排放瓦斯鉆孔間距極難確定，鉆孔間排距過大，會形成瓦斯未能排放的空白區，則防突措施失效；鉆孔間排距過密，增大了工程量，造成浪費，所以合理布置鉆孔即確定排放鉆孔的有效影響半徑顯得尤為重要[1-5]，對保障礦井安全生產具有十分重要的指導意義。

1 礦井概況

屯蘭煤礦位于山西省西山煤田，是華北大型聚煤盆地的一部分，生產能力為500萬t/a。屯蘭礦已開采近30a，礦井現生產水平為+750m水平，井田南北長約10.6km，東西寬約9.9km，井田面積約73.3426km2。井田內可采煤層有太原組（下組煤）的02、03、2、4號煤層和山西組（上組煤）的6、7、8、9號煤層，井田劃分為九個盤區，分別為北一、北二、北三、南一、南二、南三、南四、南五、南六、南七，現已開采盤區有北一、北三、南一、南二、南三、南四和南五盤區，現生產盤區共三個，為北三、南四和南五盤區。如圖1所示。

圖1 屯蘭煤礦地質構造及煤層柱狀圖

2 有效排放半徑測定方案

超前鉆孔有效排放半徑是防突措施的最基本和最重要的參數，超前鉆孔有效影響半徑是單個超前鉆孔沿其半徑方向能夠消除突出危險的最大范圍。該值不僅與突出危險性的大小有關，而且還與措施的作用時間有著密切關系，因為采取局部防突措施時，合理布置超前鉆孔是提高措施安全可靠性施工參數的首要條件。根據《煤巷掘進工作面超前鉆孔防突措施技術條件》（MT/T 957-2005），結合屯蘭礦井下現場實際情況，選用鉆孔流量法測定2#、4#、8#、9#煤層的超前排放鉆孔有效排放半徑。

2.1 測量原理

鉆孔流量法基本原理是順層孔施工后，鉆孔周圍形成非彈性變形帶，出現煤層應力和瓦斯含量（壓力）下降的特征。由于鉆孔周圍煤體應力減小、煤層透氣性增加，煤層瓦斯自然排放，在鉆孔周圍出現自然排放瓦斯量上升，表明處在鉆孔排放影響范圍內。按照相關要求，一般連續三次測定瓦斯涌出量上升幅度達到10%的，表明處在鉆孔排放（卸壓）消除突出危險性的有效作用范圍內。符合該要求的測量孔距排放鉆孔的最遠距離，即為超前鉆孔的有效排放半徑。

2.2 測定的方案

根據屯蘭礦井下現場實際情況，2#煤層選定在北三盤區22301瓦斯治理巷4#點前2302m右幫、南五盤區12507皮帶順槽距切眼70m處左幫進行考察；4#煤層選定在南四盤區12412底抽巷D3#點前132m左幫、南五盤區12507底抽巷距末端100m處右幫、北三盤區北三膠帶巷Y#點前116m左幫進行考察；8#煤層選定在南翼下組煤18402軌道順槽18#點前100m左幫進行考察；南翼下組煤9#煤層選定在18405底抽巷D1點前240m左幫進行考察。具體位置如表1所示。

表1 各煤層測定點位置

為減小測量孔間距過近后因自身卸壓效應對數據觀測的影響，同時考慮到現場煤層具有明顯的層理，采用兩側對稱法布置鉆孔。即排放孔設置在中間，兩側一定范圍內分別布置測量孔，且各鉆孔布置在同一層理中。其中，一側測量孔按距排放孔1000mm、2000mm、3000mm布置，另一側按間距500mm、1500mm、2500mm布置，編號按孔間距進行編號（距排放孔最近的為1#測量孔）。具體如圖2所示。

圖2 現場測量、排放鉆孔布置示意圖

施工必須嚴格按照設計鉆孔參數進行，并保證抽采鉆孔平直，孔形完整，鉆孔深度達到要求，具體測定方法如下。

（1）測量孔施工及封孔。測量孔選用直徑42mm鉆孔，利用工作面防突預測鉆具施工。每一鉆孔深度6m，垂直煤壁，傾角與煤層傾角一致，封孔深度5m，預留最里端1m測量室。封孔材料采用聚氨酯，封孔套管選用長度為5200mm的4分鋼管，孔口外露200mm以便連接測量裝置。

（2）測量孔前期觀測。每一測量孔密封后，立即測量鉆孔瓦斯涌出量，并每隔5min測定1次。每一測量孔測定6次。

（3）施工排放鉆孔。最后一個測量孔完成6次觀測后，在預定位置施工排放鉆孔。排放鉆孔選用直徑75mm鉆孔，孔深7m，垂直煤壁，傾角與煤層傾角一致。施工過程中，記錄鉆孔長度、施工時間和各測量孔中的瓦斯涌出量變化。

（4）測量孔后期觀測。排放鉆孔施工完畢后，每隔5min測定一次各測量孔的瓦斯涌出量，各孔測量2h。

（5）測量儀器選擇。選用測定抽采半徑所用ZLD-2多級流量計，現場注意在孔口外露的封孔管上安接變頭，便于連接ZLD-2多級流量計。

封孔時控制好聚氨酯的用量，避免堵塞測量室或造成測量室長度不足1m。在4分鋼管4.2m處（由外向里）焊接一直徑38mm左右的擋圈，降低聚氨酯膨脹擠占測量室空間的可能。每次測量鉆孔瓦斯涌出量時，保持讀數時間同步，如各孔均選擇在連接流量計后第20s讀數。

排放孔施工過程中各測量孔數據記錄按每鉆進1m測定一次進行。

測量過程中根據實際流量大小選擇好流量計的測嘴，并隨測記錄測嘴系數，避免數據較多后混淆。

3 實驗結果

2#、4#、8#、9#各考察煤層超前排放鉆孔施工后，各考察鉆孔瓦斯流量均有增加，如圖3所示。

圖3 各煤層超前排放鉆孔施工前后考察鉆孔瓦斯流量變化曲線

由上圖可知，對于北三盤區2#煤層而言，距離超前排放鉆孔1m的2#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了12.17%；對于南五盤區2#煤層而言，距離超前排放鉆孔0.5m的1#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了15.42%；對于南四盤區4#煤層而言，距離超前排放鉆孔1m的2#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了10.71%；對于南五盤區4#煤層而言，距離超前排放鉆孔0.5m的1#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了21.86%；對于北三盤區4#煤層而言，距離超前排放鉆孔1m的2#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了24.88%；對于南翼下組煤8#煤層而言，距離超前排放鉆孔0.5m的1#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了14.03%；對于南翼下組煤9#煤層而言，距離超前排放鉆孔0.5m的1#考察孔其鉆孔瓦斯流量增加了13.09%。

4 結論

通過對屯蘭礦各盤區2#、4#、8#、9#煤層超前排放鉆孔有效排放半徑的井下測定，屯蘭礦北三盤區2#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為1m，南五盤區2#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為0.5m，南四盤區4#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為1m，南五盤區4#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為0.5m，北三盤區4#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為1m，南翼下組煤8#、9#煤層超前排放鉆孔的有效半徑均為0.5m，可作為突出危險工作面布置超前排放鉆孔的設計依據。