俯角穿層鉆孔在下鄰近層瓦斯治理中的應用與研究

鞏紅龍，劉曉春

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030052)

礦井瓦斯一直是威脅煤礦安全生產的主要因素之一，瓦斯抽采作為治理瓦斯的一項重要措施已得到廣泛的應用。近距離煤層群開采時，在首采煤層的采動作用下，會造成鄰近煤層的地應力下降、移動變形、裂隙發育和透氣性系數增加[1-3]。其中，在上鄰近層與本煤層瓦斯治理中應用的研究較多，下鄰近層瓦斯治理研究相對較少，且所用的方法一般為底抽鉆場或底抽巷施工鉆孔，而治理下鄰近層瓦斯的俯角穿層鉆孔，因不能及時排渣、易埋鉆、穿層段塌孔、卡鉆、孔底沉渣和積水等因素制約應用很少[4-5]。西銘礦48708工作面下鄰層9號煤未采取任何瓦斯治理措施，回采時，9號煤的瓦斯通過底板裂隙涌向工作面和采空區，造成工作面及上隅角瓦斯超限。針對此況，經過公式[6-7]計算，在48708單軌吊回風巷施工俯角穿層鉆孔，通過大負壓抽采應力集中區瓦斯，解決了開采區受鄰近層瓦斯制約的問題。

1 礦井概況

西銘礦位于山西省太原市萬柏林區西銘鄉境內，礦井采用平峒開拓方式，目前主采2號、3號、8號、9號煤層，以1152大巷和1018大巷為主軸線，按上組煤(2號、3號煤)和下組煤(8號、9號煤)分南、北兩翼布置采區。上組煤現采西十二采區，下組煤現采南四采區、北七采區，準備南六采區。采煤工作面開采方式采用走向長壁后退式一次采全高頂板全部垮落綜合機械化采煤方法，礦井生產能力360萬t/a，屬高瓦斯礦井。

48708工作面位于北七右翼，蓋山厚度為190～340 m，上覆2號煤為西銘礦西七、西九盤區工作面所采，2號煤與8號煤層間距90 m，3號煤與8號煤層間距71 m，6號煤與8號煤層間距52 m，7號煤與8號煤層間距19 m，8號煤與9號煤(下鄰近層)層間距6.80～1.74 m、平均3.42 m，煤層傾角平均5°。該面采用U型通風方式，膠帶巷進風，風量2 352 m3/min，單軌吊巷回風，回風風量2 257 m3/min。在48708工作面單軌吊巷與48706工作面單軌吊巷布置9個聯絡巷，每個聯絡巷間距約為100 m，用于回采期間封閉聯巷埋管抽采。

48708工作面瓦斯治理方案為高濃和低濃抽采，高濃抽采中包括工作面本煤層鉆孔、頂板裂帶鉆孔和頂板高位走向長鉆孔。低濃抽采包括密閉巷抽和煤柱大孔徑鉆孔。48708工作面在2020年5月25日開始回采，工作面上隅角T0瓦斯0.9%、T1瓦斯0.36%、T2瓦斯0.42%.回采24 m后，工作面從80號支架到機尾132號架段瓦斯為0.3%～0.8%，逐漸增大，底板積水冒泡處測得瓦斯為8.6%，有的地方瓦斯達到“白板”。出煤時，上隅角T0瓦斯最大達1.4%、T1瓦斯最大0.64%、T2瓦斯最大0.7%.此時工作面高濃、低濃分源抽采系統已開始抽采，仍不能解決上隅角高濃度瓦斯，工作面及上隅角瓦斯超限經常使工作面處于停產狀態。

2 瓦斯涌出分析

8號煤層原始瓦斯含量8.43 m3/t，9號煤層原始瓦斯含量6.02 m3/t，根據相鄰工作面瓦斯涌出量資料預測，48708工作面回采期間瓦斯絕對涌出量為18 m3/min，相對涌出量為4.32 m3/t。

工作面回采后，上覆巖層在垮塌過程中形成“梁”和“拱”結構形式，圍巖體承重力失衡，通過“梁”和“拱”把失衡重力前移，使工作面煤壁形成重力疊加，工作面前部的底板在受集中重力作用下，底板及下鄰近層煤體受到剪切力、拉伸力及滑動力(見圖1)。

圖1 工作面回采時受壓和底板受力示意

采場底板及下覆巖層應力場發生改變，所受的應力重新分布，在下覆煤巖層形成橫“四區”和豎下“三帶”，由于礦壓作用使周圍巖層和煤層受壓向采空區及底板下向移動、變形，裂隙透氣性大大增加，使煤層溫度、壓力發生變化，降低9號煤內地應力，使煤體喪失天然吸附性——朗格繆爾方程條件關聯中斷，由于未對下鄰近層的9號煤采取任何瓦斯治理措施，被吸附瓦斯受運動影響回到氣相得以游離解析釋放。

3 鉆孔參數設計依據

下三帶破壞帶的計算：

h=0.002 1H+0.095 6L+0.418 6M

(1)

式中：h為煤層底板破壞深度，m；H為煤層埋藏深度，m；L為工作面傾斜長度，m；M為工作面回采高度，m。

代入公式(1)得到：

H=0.002 1×157+0.095 6×224+0.418 6×3=23(m)

8號煤平均煤厚3.03 m，底板為細砂巖，平均厚3.42 m，9號煤平均煤厚4.16 m，總厚10.61 m。所以9號煤在煤層底板破壞的豎下“三帶”深度范圍內，見圖2。

煤層底板巖體最大破壞深度距工作面端水平距離：

L=0.015H

(2)

代入數據得到：

L=0.015×(190～340)=2.85～5.1(m)

層間距3 m，瓦斯卸壓區底板變形、開裂(見圖3)，使鉆孔進入空氣及工作面底板水，影響整體瓦斯抽采濃度和負壓。為保證抽采效果，鉆孔選擇在進入應力集中區開始大負壓抽采，距工作面煤壁2 m時拆除。

圖2 豎下“三帶”圖

圖3 底板巖層應力“四區”分布圖

為防止使用水力排碴，穿層時底板巖層遇水膨脹，導致塌孔卡鉆問題，決定在施工俯角穿層鉆孔時使用新式排碴工藝，高壓水霧排碴(風水混合)。

因俯角穿層鉆孔從8號煤本煤層孔兩孔中間開孔，為避免俯角鉆孔與本煤層孔交叉處間距小竄氣，采用12 m長封孔，鉆孔參數見表1，孔深合計59 655 m。

表1 48708工作面俯角穿層鉆孔參數

4 瓦斯治理效果

2020年7月12日，在48708單軌吊回風巷本煤層孔41號孔與42號孔中間，施工9號煤俯角穿層1號鉆孔，開孔前3 m為8號煤上下分層夾矸，3～60 m為下分層可采8號煤，60～92 m為8號煤底板，92～112 m為9號煤，112～120 m為9號煤底板，1號俯角鉆孔距工作面81 m，測得孔內瓦斯濃度65%.7月27日1號俯角鉆孔距工作面4 m拆除，工作面各監測點瓦斯得到有效控制。

瓦斯治理效果：目前工作面出煤期間回風流瓦斯0.48%，工作面瓦斯0.5%，回風上隅角瓦斯0.52%，工作面鉆孔距離與瓦斯變化曲線見圖4。

表2 鉆孔距工作面距離與瓦斯濃度

圖4 工作面鉆孔距離與瓦斯變化

5 結 語

1) 鉆孔受煤層層間距的制約，鉆孔有效瓦斯抽采長度不能實現最大化，還有大部分下鄰近層煤體沒有施工鉆孔，存在抽采空白帶，瓦斯涌向工作面和采空區。

2) 俯角角度太大時，鉆機穩固不牢，鉆機后部抬高給工人上卸鉆桿造成困難。

3) 由于是從8號煤向9號煤施工俯角穿層鉆孔，采過煤后底板處仍有殘余瓦斯涌出，給安全帶來隱患。