曙光煤礦底抽巷穿層鉆孔消突技術研究與應用

曹兔科

(山西省孝義市應急管理局，山西 孝義 032300)

1 工程概況

汾西礦業集團公司曙光煤礦位于山西省中部孝義市，目前主采2號煤層，煤層平均厚度2.78 m，煤層傾角最大5°，最小1°，平均傾角3°，可采性指數為1，為穩定煤層，屬井田內主要可采煤層。礦井設計生產能力90萬t/a。1232工作面地表標高在+927～+1 054 m之間，相對高差127 m，對應地表位置大部分為第三、第四系黃土覆蓋，溝谷發育；工作面標高在+442～+504 m之間，平均埋深約550 m。礦井瓦斯絕對涌出量為112.45 m3/min，相對涌出量為36.2 m3/t，是煤與瓦斯突出礦井。正在準備的1232工作面共布置兩條回采巷道，分別為運輸巷、軌道巷，布置在2號煤層中，沿煤層頂板掘進。煤巷掘進期間施工卸壓孔時噴瓦斯現象時有發生，導致施工工期長，效率低下，為確保1232工作面兩條回采巷道掘進期間的安全，在工作面下部的泥巖巖層中布置底抽巷，底抽巷與2號煤層底板垂直距離為8～10 m，與1232運輸巷水平距離為20 m，采用在底抽巷內布置穿層鉆孔預抽巷道掘進區域瓦斯，以確保掘巷期間的施工安全。

2 穿層鉆孔抽采瓦斯有效抽采半徑分析

2.1 穿層鉆孔抽采半徑理論分析

在1232工作面設計采用穿層鉆孔進行瓦斯預抽的區域，首先施工瓦斯抽采實驗鉆孔，封孔完成后并入抽采瓦斯管路進行瓦斯抽采，采用流量計記錄抽采瓦斯濃度隨抽采時間的變化，通過回歸分析得到抽采鉆孔的瓦斯流量衰減系數及百米穿層鉆孔初始瓦斯流量，計算得到鉆孔的有效抽采半徑，回歸分析公式為：

q(t)=q0×e-βt

(1)

(2)

式中：q(t)為抽采時間為t時鉆孔內瓦斯流量，m3/min；q0為開始抽采時鉆孔內瓦斯流量，m3/min；β為流量衰減系數，d-1；t為抽采時間，d。

穿層鉆孔有效抽采半徑R計算公式為[1]：

(3)

式中：ρ為煤層的平均密度，t/m3；η為瓦斯抽采率，%；W為煤層中原始瓦斯含量，m3/t。

根據流量計記錄數據，瓦斯抽采實驗鉆孔封孔抽采180 d后，瓦斯流量由7.56 m3/min衰減到1.56 m3/min，由式(2)計算得到β=0.008 8 d-1，2號煤密度為1.35 t/m3，瓦斯初始含量W=36.2 m3/t，欲通過穿層鉆孔降至8 m3/t以下，煤層瓦斯抽采率η=77.9%，將以上參數代入式(3)可得，穿層鉆孔抽采180 d有效抽采半徑為2.91 m。

2.2 穿層鉆孔布置參數分析

每個穿層鉆孔在煤層中形成的有效抽采區域近似為一個圓，為取得良好的消突效果，要求穿層鉆孔的有效抽采區域覆蓋整個預抽采區域，鉆孔間的直線距離為其有效抽采半徑的2倍時，鉆孔無論怎樣布置，均不可避免地使煤層中存在一定面積的抽采盲區，因此為達到對整個區域進行有效的抽采目的，首先進行鉆孔布置間距的優化分析。抽采鉆孔采用三角形布置均需要重疊一部分區域，才能消除鉆孔間的抽采盲區，若要將3個鉆孔間的抽采盲區覆蓋，3個鉆孔的布置示意如圖1所示。

圖1 穿層鉆孔水平間距優化分析示意

3 底板穿層鉆孔布置參數設計

根據煤與瓦斯突出礦井煤巷掘進《防突規定》，煤巷掘進前對巷道掘進區域進行穿層鉆孔預抽瓦斯消突時，穿層鉆孔有效抽采區域應覆蓋巷道兩幫輪廓線以外至少15 m[2]，穿層鉆孔沿巷道寬度方向的個數計算公式為[3]：

(4)

式中：B為巷道掘進寬度，m；R為穿層鉆孔的抽采半徑，m。

沿巷道掘進方向鉆孔的數量計算公式為：

(5)

式中：L為煤巷掘進長度，m。

曙光煤礦1232運輸巷寬度為5.0 m，總長度為1 565 m，穿層鉆孔有效抽采半徑為2.91 m，計算可得，沿巷道寬度方向穿層鉆孔數量NW=8.32個，因此設計煤巷寬度方向布置10個穿層鉆孔，鉆孔間距離為5.0 m；沿巷道長度方向需布置鉆孔數量Nt=310個。綜上可知，共需3 100個穿層鉆孔，平面布置形式如圖2所示。

圖2 穿層鉆孔平面布置示意

4 底抽巷穿層鉆孔現場應用

在1232底抽巷左幫向1232運輸巷掘進區域施工穿層鉆孔，每組10個鉆孔，1～10號穿層鉆孔的布置參數見表1，鉆孔終孔處間距為5 m，鉆孔開孔處水平距離為0.5 m，鉆孔開孔處距底板2 m，鉆孔直徑為94 mm，共設計3 100個鉆孔，鉆孔有效抽采范圍覆蓋1232運輸巷輪廓線兩側各20 m。設計穿層鉆孔施工后平面布置如圖3所示。

表1 穿層預抽鉆孔參數

圖3 1232運輸巷穿層鉆孔布置平面

1232底抽巷內穿層鉆孔施工采用ZYG-4000L型鉆機，每施工完一個鉆孔后，立即進行封孔，封孔采用“兩堵一注”囊袋帶壓注漿式封孔器，封孔長度不小于5 m，封孔前應將孔內積水、巖屑清理干凈，封孔完接入抽采系統。單孔孔口安設導流管，使用瓦斯綜合參數測定儀測定單孔負壓、流量、濃度等參數。1232底抽巷內瓦斯抽采支管內徑為300 mm，總長度約1 550 m，抽采負壓為20 kPa，抽采時間不少于180 d。1232運輸巷掘進區域瓦斯預抽路線：1232底抽巷幫部穿層鉆孔—底抽巷抽采支管(內徑300 mm)—二采區回風上山抽采管路(直徑700 mm)—回風大巷—管道立眼—地面永久抽采泵站。

5 防突效果分析

1232運輸巷掘進期間采用鉆屑法鑒定圍巖的突出危險性，巷道掘進期間，在掘進工作面迎頭處向前施工探測孔，探測孔布置如圖4所示，測試鉆孔施工過程中的鉆屑量S和瓦斯解吸指標K1，根據《防突規定》，當S值小于6 kg/m且K1值小于0.5 mL/(g·min1/2)時[4]，表明該區域煤層無煤與瓦斯突出的危險。1232運輸掘進期間測得的S值和K1值隨著進尺的變化趨勢如圖5所示。

圖4 探測孔布置示意

由圖5可以看出，煤層內瓦斯解吸指標最大值為0.46 mL/(g·min1/2)，始終小于參考臨界值0.5 mL/(g·min1/2)，煤層內鉆屑量S值最大為1.9 kg/m，遠小于6 kg/m，S值和K1值均小于規定的臨界值，探測孔施工期間未出現噴孔等現象。綜上可知，通過穿層鉆孔預抽后，成功消除了煤巷掘進期間瓦斯突出的危險。

6 結 語

對于煤與瓦斯突出礦井，必須采取區域消突和局部防突措施，以保證工作面的安全生產，曙光煤礦煤巷掘進期間采用底抽巷穿層鉆孔預抽瓦斯技術進行區域消突，取得了良好的效果，值得借鑒。

圖5 煤層內S值和K1值隨進尺的變化規律