低位鉆場穿層預抽技術在突出厚煤層石門揭煤中的應用

李臣武

（貴州職業技術學院建筑工程學院，貴州 貴陽 550023）

我國煤與瓦斯突出多發生于石門揭煤和煤巷掘進過程中[1]，石門揭煤突出危險性最大，突出強度最高[2]，石門揭煤技術，注重鉆孔預抽和支護，部分技術雖然可行，但預抽和揭煤時間長，工序復雜，瓦斯治理和揭煤成本高。高瓦斯壓力、高瓦斯含量厚煤層的揭煤，預抽鉆孔穿煤距離較長，俯孔施工排渣困難，噴孔堵孔嚴重，甚至造成廢孔，容易造成局部區域抽采不達標。松河礦1390 軌道石門巷道掘進期間需揭17+18 號煤層，17+18 號煤層瓦斯預抽成為揭煤的關鍵。

1 工程概況

松河礦1390 軌道石門位于一采區二區段，石門開口標高為+1390 m，石門需揭過煤組的所有煤層，其中包括17+18 號厚煤層。在一采區17、18號煤層合并，合并厚度 6.5 m，平均傾角30°，直接頂為粉砂巖，老頂為細砂巖，底板為粉砂巖和砂質泥巖，揭煤地點對應地表埋深463 m。1390 軌道石門工作面距17+18 號煤層法向距離20 m 時，施工5 個探測孔，實測17+18 號煤層最大瓦斯壓力為2.12 MPa，瓦斯含量17.85 m3/t，煤層堅固系數f 為0.29，瓦斯放散初速度ΔP為18.2，煤的破壞類型為Ⅳ類。礦井建設期間17+18 號煤層經資質單位鑒定為突出煤層，在一區段石門揭煤和采掘活動過程中曾發生過動力現象。顯然，1390 軌道石門揭煤安全風險較大。

2 揭煤預抽方案優選

17+18 號煤層的區域預抽有兩個方案。方案一是采用常規預抽技術，在石門工作面兩側施工耳朵鉆場，在工作面和耳朵鉆場施工穿層鉆孔對17+18號煤層進行預抽；方案二是從工作面旁邊以負坡施工聯絡巷，聯絡巷工作面底板標高低于鉆孔控制煤體下限標高時，開始施工低位鉆場。設計預抽鉆孔時將控制下半部分煤體的鉆孔全部調整到低位鉆場內施工，控制上半部分煤體的鉆孔布置在石門工作面施工。方案一優點是巷道工程小，缺點是終孔位于石門底板以下的鉆孔均為俯孔，俯孔施工排渣較為困難，打鉆容易噴孔，瓦斯預抽期間俯孔中存有大量積水和煤渣，影響抽采效果[3]；方案二優點是實現控制揭煤煤體的所有鉆孔全部為仰孔，利于鉆孔排渣和排水，缺點是需施工聯絡巷和低位鉆場，增加巷道工程。對方案一和方案二進行綜合比較，方案二的打鉆和預抽效果較好，在技術和安全方面明顯優于方案一，1390 軌道石門17+18 號煤層揭煤預抽選擇低位鉆場預抽方案。

3 石門揭煤瓦斯抽采工程施工

3.1 低位鉆場設計與施工

采用穿層鉆孔預抽井巷揭煤區域煤層瓦斯的，傾斜煤層穿層鉆孔至少控制揭煤處巷道輪廓線外12 m。經計算，低位鉆場底板與石門底板高差按7 m設計，聯絡巷設計長度17.21 m，坡度-24°，巷道凈寬3.5 m，凈高3.0 m，支護方式為錨網噴，噴厚100 mm，低位鉆場設計深度5 m，凈寬4.5 m，凈高3.5 m，錨網噴+錨索支護，錨索長度8 m，間排距1.6 m×1.6 m，直徑15.5 mm，低位鉆場巷道布置如圖1。聯絡巷以-24°的坡度施工，半圓拱斷面，錨網噴支護，錨桿使用長2.0 m 的樹脂錨桿，間排距800 mm×800 mm。

3.2 穿層鉆孔區域預抽

3.2.1 穿層鉆孔設計

通過對探測孔見煤巖情況分析得出1390 軌道石門17+18 號煤層傾角為30°，屬傾斜煤層。根據《防治煤與瓦斯突出細則》第六十四條，穿層鉆孔對預揭煤體的控制范圍不小于巷道輪廓線外12 m，同時保證控制范圍外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5 m。揭17+18 號煤層的煤體控制范圍按巷道輪廓線外12 m 進行設計鉆孔，終孔間距按4 m設計，鉆孔布置為網格式，總共設計12 排鉆孔，每排10 個，共120 個孔。其中控制下半部分煤體的5 排鉆孔布置在低位鉆場內施工，控制上半部分的7 排鉆孔在石門工作面施工，所有鉆孔均按仰孔設計。穿層鉆孔布置如圖2。

3.2.2 鉆孔施工及預抽

石門工作面和低位鉆場鉆孔采用平行作業、同步施工的方式，鉆機使用ZDY-4000L 型履帶式鉆機，鉆孔直徑90 mm，采用水力排渣。第一個鉆孔選擇先施工位于最下一排靠近工作面正中的鉆孔，第一個孔施工到位后，穿透煤層后，邊清孔邊退桿，鉆桿退完后對孔內全程安設篩孔套管，及時進行封孔和聯管抽放，然后再按照由中間向兩幫的方式依次施工其他鉆孔。

4 工程效果分析

4.1 瓦斯預抽效果

1390 軌道石門設計預抽鉆孔120 個，鉆孔施工工期21 d。打鉆前在石門工作面施工4 個測壓孔進行測壓，測壓孔編號為1、2、3、4，壓力表的初始值均為0 MPa，然后壓力表讀數逐漸增大，安裝5 d后壓力表數據不再往上漲，穩定為一個恒定值。打鉆前測定原始瓦斯壓力最大值為2.11 MPa。打鉆及瓦斯預抽期間，通風區每隔三天安排專人到石門迎頭統計一次瓦斯壓力。從開始打鉆當日起到第45天，瓦斯壓力不斷下降，第45 天4 個觀測孔的瓦斯壓力最大值為0.45 MPa。瓦斯壓力變化曲線如圖3。打鉆前工作面實測最大原始瓦斯含量為17.84 m3/t，打鉆及預抽期間每隔5 d 在石門工作面打鉆取樣實測瓦斯含量，瓦斯含量測孔每次施工4 個孔，測定設備用DGC 瓦斯含量直接測定裝置。經過45 d 后工作面測定最大瓦斯含量為5.06 m3/t。瓦斯含量變化曲線如圖4。1390 軌道石門預抽期間地面專門調整一臺2BEC-620 型水環式真空泵（功率400 kW）對17+18 號煤層揭煤處的瓦斯進行抽放，瓦斯泵額定抽采能力為350 m3/min，抽放主管為Ф350 mm的無縫鋼管，管道額定抽采流量51 m3/min，主管負壓為30～35 kPa。通過45 d 的觀測和統計，石門瓦斯管抽放瓦斯混合量為345 729 m3，抽放瓦斯純量為121 005 m3，管道平均瓦斯抽放濃度為35%。第45天測定最大殘余瓦斯含量為5.06 m3/t，小于8 m3/t，測定的最大殘余瓦斯壓力為0.45 MPa，小于0.74 MPa。瓦斯壓力和瓦斯含量均小于《防治煤與瓦斯突出細則》規定臨界值，說明揭17+18 號煤層的區域預抽措施有效。按照四位一體的防突措施要求進行區域驗證，區域驗證采用WTC 防突儀測定鉆屑瓦斯解析指標K1值和鉆屑量Smax值。鉆屑瓦斯解吸指標K1是我國煤炭行業廣泛采用的工作面突出危險性預測指標[1-4]，根據《防治煤與瓦斯突出細則》及盤江精煤股份有限公司文件要求確定，K1值臨界值為0.4 mL/（g.min1/2），鉆屑量臨界值為5 kg/m。石門揭煤采用漸近式揭煤法，在工作面距煤層法向距離7 m、5 m、2 m 時均布置4 個探孔測定K1值和鉆屑量，煤層揭開后再按照過煤門的要求進行測定。在整個揭煤期間K1值和鉆屑量均未超過臨界值。區域驗證檢測指標最大值見表1。

圖3 瓦斯壓力變化曲線圖

圖4 瓦斯含量變化曲線圖

表1 區域驗證檢測指標表

經過預抽后在揭煤及過煤門期間,沒有出現突出檢測指標超限現象，工作面及回風流瓦斯濃度保持在0.20%～0.30%，沒有出現過任何動力現象，石門掘進安全順利通過17+18 號煤層。

4.2 規避安全風險

采用低位鉆場+工作面施鉆預抽方式進行抽采，水力排渣，鉆孔施工較為容易，大大降低了噴孔的強度，杜絕傷人及瓦斯超限事故。經現場統計，鉆孔施工及揭煤期間工作面及回風流最大瓦斯濃度為0.48%，每個鉆孔都能按設計施工到位，鉆孔控制煤體均勻，抽放期間鉆孔沒有積水，提高了抽放效果，從而實現整個控制煤體完全消突，全面規避了揭煤過程中的安全風險。

4.3 經濟效益分析

施工低位鉆場穿層預抽，巷道工程增加了22.21 m，但打鉆期間沒有出現廢孔，孔內沒有丟棄鉆桿，提高了抽放效果，縮短了揭煤工期。根據該礦井以前類似條件的揭煤統計，如一采區上區段1580 回風石門揭17+18 號煤層，控制煤體下半部分的5 排鉆孔共有35%的廢孔率，重新施工了18 個孔，增加鉆孔工程量576 m，廢孔內丟棄長1.5 m 的鉆桿187 根。根據企業計算井巷工程單價，聯絡巷和低位鉆場施工費為6553 元/米，工程造價為14.6 萬元，鉆孔施工單價225 元/米，1580 回風石門因廢孔增加576 m 鉆孔工程造價為13.0 萬元，鉆桿單價455元/根，丟棄187 根鉆桿折合8.5 萬元，1580 回風石門廢孔及丟棄鉆孔增加費用21.5 萬元，超過低位鉆場施工費6.9 萬元。單純從工程直接費用來看，低位鉆場明顯優于工作面直接施鉆預抽的方案。另外，1390 軌道石門從工作面開始施鉆到17+18 號煤層揭煤結束的總工期為65 d，而1580 回風石門揭17+18 號煤層的總工期共花了14 個月，1390 軌道石門采用低位鉆場預抽技術揭煤工期比計劃提前了12 個月，12 個月的時間對礦井而言能產生巨大的經濟效益，因此低位鉆場預抽揭煤從經濟視角來看是科學合理的。

5 結論

（1）低位鉆場預抽技術應用實現了厚煤層石門揭煤鉆孔全部為仰孔，從客觀方面改變了鉆孔施工及預抽的方式，從技術設計上杜絕了俯孔施工的一系列問題，提高了抽放效果，增大單位時間內的抽放純量，提高了管道抽放濃度，縮短了石門揭煤的工期。

（2）低位鉆場預抽技術降低了鉆孔施工難度，使鉆孔能順利穿透厚煤層，鉆孔能完全按設計施工到位，杜絕抽放盲區，提高石門揭煤的安全可靠性，為石門揭煤防突工作提供技術支撐。

（3）低位鉆場預抽技術在厚煤層揭煤工程中的應用在技術、經濟和措施適用性方面都具有科學性和合理性，具有較好的參考價值。