基于保護層開采底板攔截鉆孔參數布置考察研究

唐 勇，汪萬里，牛 強，陳紹祥

(1.陜西陜煤韓城礦業公司 下峪口煤礦， 陜西 韓城 715400；2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

瓦斯災害是制約煤礦安全高效生產的主要因素之一，對于煤與瓦斯突出礦井，首要任務是進行消突，其次是瓦斯治理。隨著礦井開采深度的增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸增大，瓦斯災害治理壓力也日益增加[1-4]. 《防治煤與瓦斯突出細則》及《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》要求，開采保護層時，必須布置對被保護層進行瓦斯抽采的配套工程，確保抽采達標。確定煤層瓦斯抽采鉆孔合理布置參數是實現礦井抽采達標重要的技術工作之一，合理的鉆孔參數布置，能減少鉆孔工程量,提高抽采效率[5].

1 工程概況

下峪口煤礦設計生產能力1.5 Mt/a，為突出礦井，主采2#、3#煤層分別屬薄煤層、中厚煤層。2#煤層為突出煤層，開拓開采范圍內實測最大瓦斯壓力0.78 MPa，煤的瓦斯放散初速度10～13 mL/s，煤的堅固性系數0.18～0.36，煤的破壞類型屬于Ⅱ～Ⅳ類。3#煤層實測最大瓦斯壓力1.74 MPa，瓦斯放散初速度8～15 mL/s，煤的破壞類型為Ⅳ～Ⅴ類，煤的堅固性系數0.20～0.40. 2#、3#煤層層間距4.0～27.89 m，平均13.0 m.

2 底板攔截鉆孔參數布置考察方案

下峪口煤礦2#煤層采用沿空留巷無煤柱開采，擬開采2#煤層保護3#煤層，2#、3#煤層層間距較近，開采保護層的同時，布置2#煤層底板攔截鉆孔抽采3#煤層卸壓瓦斯，防止回采時3#煤層瓦斯大量涌入保護層開采工作面。

選擇23302進風順槽2號鉆場所在位置作為底板攔截孔參數布置考察地點，鉆孔間距20 m，鉆孔直徑120 mm，鉆孔深度402～427 m，封孔深度15 m，開孔位置距離鉆場底板1.0 m. 本次考察以23202工作面2號鉆場底板攔截孔抽采數據為基礎，分析卸壓瓦斯抽采效果及保護層開采回風瓦斯濃度，考察驗證孔間距20 m、鉆孔直徑120 mm底板攔截鉆孔是否滿足生產要求。封孔后聯管接抽，鉆孔孔口抽采負壓不得小于13 kPa；每組考察鉆孔安裝自動計量裝置及孔板流量計單獨計量，監測管路濃度、流量、負壓、溫度等參數。鉆孔布置見圖1.

圖1 底板攔截鉆孔平面布置示意圖

3 底板攔截鉆孔參數布置考察分析

3.1 瓦斯涌出量分析

3.1.1 開采層(保護層)瓦斯涌出量計算

23202工作面切眼寬150 m，設計采用傾向長臂采煤法，綜采工藝，平均煤厚1.0 m，采煤工作面回采率不低于97%，月推進度80～90 m；開采層相對瓦斯涌出量q1按式(1)計算。

(1)

式中，q1為開采層瓦斯涌出量，m3/t；m為開采層厚度，m；M為工作面采高，m；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t,抽采達標后，取平均值6.0 m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數，選1.1～1.3,23202工作面為全部垮落法管理頂板，取1.3；K2為丟煤瓦斯涌出系數，回采率的倒數,2#煤層為薄煤層，工作面回采率97%，K2取1.03;K3為準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數，采用長壁后退式回采時，K3按式(2)確定：

K3=(L-2h)/L

(2)

式中，L為工作面長度，m,23202工作面取150;h為掘進巷道預排等值寬度，m，2#煤層為瘦煤或焦煤，巷道煤壁暴露時間按200 d計，h取15.4 m. 計算得，K3=0.79.

因此，開采層相對瓦斯涌出量為3.17 m3/t；23202工作面試采期間，每天按一個循環0.6 m計算，日產量121.5 t，正常生產后，每天按5個循環計算，日產量約為607.5 t，開采層絕對瓦斯涌出量為0.27～1.34 m3/min.

3.1.2 鄰近層(被保護層)相對瓦斯涌出量計算

(3)

式中,q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i個鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率，%；Woi為第i個鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t.

鄰近層瓦斯排放率ηi與鄰近層至開采層的間距有關，按圖2選取。

1—上鄰近層；2—緩傾斜煤層下鄰近層；3—傾斜、急傾斜煤層下鄰近層圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關系曲線圖

2#、3#煤層層間距為11～13 m，根據圖2分析，開采2#煤層時，3#煤層瓦斯排放率為54%～59%，因此，鄰近層(3#煤層)瓦斯最大涌出量為20.65 m3/t. 23202采煤工作面試采期間，每天按一個循環0.6 m計算，日產量121.5 t，正常生產后，每天按5個循環計算，日產量約為607.5 t，鄰近層(3#煤層)絕對瓦斯涌出量為1.74～8.71 m3/min.

3.2 23202采面瓦斯抽采統計分析

23202工作面回采期間采用本煤層邊抽邊采、采空區柔膜墻壓管抽采、頂板高位裂隙鉆孔抽采、底板攔截鉆孔抽采等綜合瓦斯治理措施，有效防止了回采期間采煤工作面瓦斯集聚、超限。

3.2.1 23202工作面瓦斯綜合抽采措施

1) 本煤層鉆孔邊抽邊采。

23202工作面區域防突措施采用順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，鉆孔在23202進風順槽、運輸順槽兩巷垂直工作面施工；在運輸順槽內，距23202工作面停采線21 m開始施工，在進風順槽內距23202工作面停采線19.5 m處開始施工，鉆孔布置在煤層中部，孔徑94 mm，傾角0°，方位角25°,設計長度80 m，鉆孔孔間距3 m，整個工作面共施工區域防突措施鉆孔552個。

2) 采空區柔膜墻壓管抽采。

23202采空區瓦斯采用柔膜墻壓管抽采，每道采面柔膜支護墻體(3 m)壓入一根2 m長的d219 mm焊管(切眼位置柔膜支護墻體壓入3根2 m長的d219 mm焊管)，焊管外漏墻體200 mm，采用d219 mm鋼絲膠管將壓入采空區的焊管連接至采空區抽采主管路三通上；當壓入管路停止抽采時，應甩掉單管，上好擋板。23202采面壓管抽采示意圖見圖3.

圖3 23202采面壓管抽采示意圖

3) 頂板高位裂隙鉆孔抽采。

在2號鉆場內設計4個頂板高位裂隙鉆孔，鉆孔分別內錯23202進風順槽15 m、25 m、35 m、45 m，終孔距離2#煤層頂板高度12 m、15 m、17 m、19 m，孔徑153 mm. 鉆孔布置見圖4.

圖4 23202頂板高位裂隙鉆孔布置示意圖

鉆孔封孔長度15 m，封孔段擴孔孔徑203 mm，采用6英寸PE封孔管封孔。距封孔管孔口1 m位置下入返漿管，距孔口3 m下入注漿管，距孔口0.5 m使用無機封孔材料或膨脹水泥進行封堵，待完全反應后，使用注漿泵注漿，封孔結束后及時并入抽采系統抽采并安設單孔及管道監測計量裝置。

4) 底板攔截鉆孔抽采。

在23302進風順槽2號鉆場設計5個底板攔截鉆孔，鉆孔位于2#、3#煤層之間的巖層中，距3#煤4 m左右。鉆孔布置見圖1.

3.2.2 23202工作面瓦斯抽采統計分析

23202工作面于2021年8月開始試采，2021年12月初回采至23202進風順槽2號鉆場，每月推進80～90 m，回采期間，通過在線監測收集統計了不同抽采方式的瓦斯抽采濃度、流量、負壓等數據。各抽采方式瓦斯濃度、瓦斯純量統計見圖5—8.

圖5 底板攔截孔抽采數據統計分析圖

圖6 本煤層邊采邊抽鉆孔抽采數據統計分析圖

圖7 頂板高位裂隙鉆孔抽采數據統計分析圖

從圖5～圖8分析可知，回采初期，各抽采鉆孔瓦斯濃度、瓦斯純量較小，隨著工作面的推進，抽采瓦斯濃度、瓦斯純量也逐步增大，并穩定在一定范圍內，直至12月初，工作面推進至2號鉆場，底板攔截孔、頂板高位裂隙鉆孔破壞，數據下降。回采期間，底板攔截孔最大瓦斯濃度、瓦斯純量分別為53.47%、6.10 m3/min，平均瓦斯純量為2.13 m3/min；本煤層邊采邊抽鉆孔最大瓦斯濃度、瓦斯純量分別為18.04%、4.49 m3/min，平均瓦斯純量為2.63 m3/min；頂板高位裂隙鉆孔最大瓦斯濃度、瓦斯純量分別為46.21%、2.23 m3/min，平均瓦斯純量為0.62 m3/min；采空區壓管抽采最大瓦斯濃度、瓦斯純量分別為11.93%、4.91 m3/min，平均瓦斯純量為3.51 m3/min.

圖8 采空區壓管抽采數據統計分析圖

3.2.3 23202工作面瓦斯抽采效果分析

23202工作面采用“Y”型通風，運輸順槽配風約760 m3/min，進風順槽配風約440 m3/min，共計配風1 200 m3/min. 工作面經過底板攔截抽采、本煤層邊采邊抽、頂板高位裂隙抽采、采空區壓管抽采后，回風瓦斯濃度統計見圖9.

圖9 回風瓦斯濃度統計圖

從圖9分析可知，23202工作面從試采至推進2號鉆場期間，大部分時間瓦斯濃度穩定在0.4%～0.5%. 12月初，2號鉆場內底板攔截孔及頂板高位裂隙鉆孔破壞，1號鉆場(位于停采線外30 m)內底板攔截孔及頂板高位裂隙鉆孔因卸壓不充分抽采效果還不明顯，因而此階段回風瓦斯濃度較高，最大回風瓦斯濃度達0.71%，仍小于《煤礦安全規程》規定的1%. 將每月內各抽采方式的平均抽采量累加，得到表1.

根據瓦斯涌出量計算結果，23202工作面回采時瓦斯涌出量為2.01 ～10.05 m3/min，由表1可知，9—12月份23202工作面平均抽排瓦斯總量均大于10.05 m3/min，滿足采面生產要求；8月為工作面試采，推進速度慢，瓦斯涌出量為較小，同樣滿足生產要求。

表1 各月瓦斯抽排總量統計表 /(m3·min-1)

4 結 語

23202工作面底板卸壓攔截鉆孔孔徑d120 mm，鉆孔間距20 m，鉆孔布置在2#、3#煤層之間的巖層中。回采期間，底板攔截孔最大瓦斯濃度、瓦斯純量分別為53.47%、6.10 m3/min，平均瓦斯純量為2.13 m3/min. 配合本煤層邊采邊抽、頂板高位裂隙抽采、采空區壓管抽采，回風瓦斯濃度穩定在0.4%～0.5%，滿足23202工作面回采要求。因此，23202工作面底板卸壓攔截鉆孔參數布置是合理的，能滿足生產需求。