高瓦斯高應(yīng)力區(qū)大直徑鉆孔卸壓快速掘進技術(shù)研究與應(yīng)用

徐 寧

(山西潞安化工集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

煤炭是我國能源的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”，在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比長期超過50%[1-2].但是，隨著采掘深度增加，瓦斯含量和地應(yīng)力都在增大。高瓦斯、高應(yīng)力煤巷安全快速掘進成為非突出礦井亟待攻克的技術(shù)難題。通過卸壓增透提高瓦斯抽采效率，是瓦斯防治技術(shù)的根本理念；而卸壓也是消除應(yīng)力集中的治本之策。因此，高瓦斯和高應(yīng)力的治理，在技術(shù)原理上具有相通性，研發(fā)高瓦斯和高應(yīng)力一體化防治技術(shù)，可以有效減少工程量，降低災(zāi)害治理成本，提高安全生產(chǎn)水平。

超前鉆孔是我國試驗和應(yīng)用最早的一種局部防突措施，目的是緩解鉆孔控制范圍內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，同時排放瓦斯，達到減弱和防止突出的目的[3-6]。該技術(shù)經(jīng)過長期演化，在高應(yīng)力較為明顯的礦井得到了推廣應(yīng)用。通過增加鉆孔直徑，將集聚高壓縮能的煤巖破碎，排出更多煤屑，實現(xiàn)軟化煤巖結(jié)構(gòu)、消除地層應(yīng)力集中，從而達到卸壓目的[7-11]。大量實驗表明，當(dāng)鉆孔深度大于其半徑20倍時，鉆孔應(yīng)力受孔周煤體自重的影響微乎其微。鉆孔周邊最大應(yīng)力的集中程度不受孔徑影響，即鉆孔任意處圍巖切向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之和為一定值，大小為兩倍初始地應(yīng)力[11]。因此，鉆孔直徑及長度優(yōu)化是保障卸壓效果的關(guān)鍵因素。

余吾煤業(yè)為高瓦斯礦井，隨著礦井采掘水平不斷延伸，在高瓦斯煤巷掘進過程中部分區(qū)域瓦斯涌出量不斷增加，并伴隨著響煤炮、片幫、巷道收斂等高應(yīng)力現(xiàn)象。通過分析煤巷施工各環(huán)節(jié)制約因素，創(chuàng)新提出并試驗了大直徑鉆孔卸壓+瓦斯排放巷道快速掘進技術(shù)[12]，取得了較好安全效益、經(jīng)濟效益和綜合效益。

1 研究區(qū)瓦斯地質(zhì)概況

1.1 含煤地層和地質(zhì)構(gòu)造

余吾井田構(gòu)造上位于太行山中段西側(cè)，長治盆地西部，面積160.24 km2.井田內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)為走向北東—南北向西緩傾的單斜，在此基礎(chǔ)上發(fā)育方向比較單一的寬緩褶曲(兩翼傾角一般小于10°)，沿傾向及走向伴有少量斷層及陷落柱。井田內(nèi)地層從新至老有第四系(Q)、三疊系下統(tǒng)劉家溝組(T1L)、二疊系上統(tǒng)石千峰組(P2sh)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)、石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、奧陶系中統(tǒng)峰峰組(Q2f).

余吾煤業(yè)當(dāng)前主采煤層為3號煤層，位于二疊系山西組下部，為上煤組，埋深500～700 m，煤層厚度為4.82～7.25 m，平均厚度6.02 m，煤層穩(wěn)定，頂板一般為泥巖，粉砂質(zhì)泥巖，底板為黑色泥巖、粉砂巖，老底為中細粒砂巖。夾矸0～3層，一般1層，厚0.27 m，屬結(jié)構(gòu)簡單至較簡單煤層，地層柱狀圖如圖1所示。

圖1 地層柱狀圖

1.2 瓦斯和地應(yīng)力

S5207回風(fēng)巷位于南五采區(qū)，北側(cè)為南五2號回風(fēng)下山，東側(cè)為S5206回風(fēng)巷(已掘)，南側(cè)及西側(cè)為實體煤。巷道設(shè)計長度為1 694 m，沿煤層底板掘進，寬5.4 m，高3.8 m，巷道配風(fēng)量為1 462 m3/min，在掘進里程0～1 036 m區(qū)間時，巷道直接掘進，瓦斯?jié)舛容^為正常，無動力現(xiàn)象，沒有采取瓦斯和高應(yīng)力防治措施；在掘進里程1 036～1 086 m區(qū)域時，風(fēng)排瓦斯量為6.1～7.6 m3/min，掘進時，風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.52%～0.65%，實測瓦斯含量7.8 m3/t；迎頭頻繁出現(xiàn)響煤炮現(xiàn)象，同時，在滯后迎頭50～200 m范圍連續(xù)出現(xiàn)煤墻外鼓、錨索繃斷失效現(xiàn)象，巷道掘進進尺由7.2 m減少至5.4 m.在鄰近區(qū)域?qū)崪y地應(yīng)力為10.1 MPa，S5207工作面瓦斯地質(zhì)圖如圖2所示。

圖2 S5207工作面瓦斯地質(zhì)圖

2 大直徑鉆孔卸壓技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

2.1 大直徑鉆孔卸壓技術(shù)優(yōu)化

鉆孔周圍破裂區(qū)及卸壓區(qū)范圍是卸壓抽采及卸壓防災(zāi)技術(shù)的核心，單一鉆孔周圍破裂區(qū)半徑R為：

R=β·a

根據(jù)余吾煤業(yè)S5207的鉆屑排出情況，對確定β的諾莫圖進行了優(yōu)化，并在圖中繪制了對應(yīng)的破裂范圍系數(shù)β的變化區(qū)間，經(jīng)過修正的確定的諾莫圖如圖3所示。

圖3 經(jīng)過修正的確定的諾莫圖

由此，確定研究區(qū)鉆孔破裂范圍系數(shù)的變化區(qū)間為7～12，平均為9.5，進而可知,120 mm大直徑鉆孔的影響半徑約為0.57 m，初步確定余吾煤業(yè)大直徑卸壓鉆孔的合理間距為1 m.

2.2 大直徑鉆孔卸壓排放技術(shù)應(yīng)用

在巷道周圍的煤體內(nèi)打卸壓孔是利用卸壓孔對巷道周圍煤體進行切割，使巷道壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，同時利用卸壓孔的空間收縮來釋放周圍煤體的壓力，從而達到減少巷道受壓變形的目的。

根據(jù)上述理論研究成果，在S5207回風(fēng)巷兩幫施工大直徑卸壓孔，鉆孔間距為1 m，開孔高度為1.1～1.3 m，深度為20 m，鉆孔直徑為120 mm，S5207回風(fēng)巷卸壓孔布置示意如圖4所示。

圖4 S5207回風(fēng)巷卸壓孔布置示意

3 大直徑鉆孔卸壓+瓦斯排放綜合效果分析

3.1 瓦斯涌出量下降

在S5207回風(fēng)巷，未采取措施區(qū)域(掘進里程1 036～1 086 m)，風(fēng)流平均最高瓦斯?jié)舛葹?.70%，回風(fēng)流平均最高瓦斯?jié)舛葹?.59%，風(fēng)排瓦斯涌出量為7.1 m3/min.采取大直徑鉆孔卸壓技術(shù)后，在掘進里程1 086～1 136 m區(qū)段，風(fēng)流平均最高瓦斯?jié)舛葹?.62%，同比下降11.4%；回風(fēng)流平均最高瓦斯?jié)舛葹?.54%，同比下降9.26%；風(fēng)排瓦斯涌出量為6.45 m3/min，同比下降9.15%,S5207回風(fēng)巷瓦斯涌出變化情況見圖5.

圖5 S5207回風(fēng)巷瓦斯涌出變化情況

通過大直徑卸壓鉆孔的實施，提高了瓦斯抽采鉆孔的抽采效率，減少了巷道掘進期間瓦斯涌出量，有效促進了巷道掘進速度提升。

3.2 巷道變形量減小

采用山東思科賽德研發(fā)的表面位移監(jiān)測系統(tǒng)對巷道兩幫位移進行實施監(jiān)控，表面位移監(jiān)測系統(tǒng)由測距儀、顯示器和反光板組成。激光測距儀發(fā)出激光束射到反光板上實時測量位移值，通過無線傳輸，實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測，測量精度1 mm，測量時間30 min/次，S5207回風(fēng)巷巷道變形量如表1所示，激光測距儀布置示意如圖6所示。

表1 S5207回風(fēng)巷巷道變形量

圖6 激光測距儀布置示意

S5207回風(fēng)巷在里程986～1 086 m區(qū)域與1 086～1 186 m區(qū)域均按照間距50 m布置測距儀，其中里程986～1 086 m區(qū)域未施工卸壓孔，1 086～1 186 m區(qū)域施工間距1 m的卸壓孔。對比時間均為60 d.

由表1可以看出，未施工卸壓孔時，幫部最大變形量為800 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?00 mm；采取卸壓孔措施后，幫部最大變形量為510 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?15 mm；即采取卸壓措施后，幫部變形量減少290 mm，頂?shù)装遄冃瘟繙p少85 mm，卸壓效果較好，巷道變形量對比圖如圖7所示。

3) 日進尺提升。由圖5可以得出，未采取瓦斯防治措施和卸壓措施前，掘進50 m需要10 d，平均每天掘進5 m；采取措施后，掘進50 m僅需要8 d，平均每天掘進6.25 m，即每天提升進尺1.25 m，掘進速度有了較為明顯提升。

圖8 巷道變形量對比圖

4 結(jié) 語

通過對S5207回風(fēng)巷高瓦斯高應(yīng)力區(qū)域采取大直徑鉆孔卸壓+瓦斯排放技術(shù)，巷道掘進過程中瓦斯涌出量下降，同時巷道變形量大大減少，日進尺有所提升，保障了巷道的高效掘進。

1) 對巷道迎頭煤體進行卸壓，降低煤層瓦斯壓力，迎頭煤體應(yīng)力集中區(qū)向深部移動。瓦斯抽采效率提升，風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆盗?.08%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆盗?.05%，風(fēng)排瓦斯涌出量減少0.65 m3/min.

2) 在巷道高應(yīng)力區(qū)域施工兩幫卸壓孔，能夠有效將巷道壓力向周圍煤體的深部轉(zhuǎn)移，減少巷道變形量。S5207回風(fēng)巷施工卸壓孔后，幫部變形量減少290 mm，頂?shù)装遄冃瘟繙p少85 mm，卸壓效果較好。

3) 大直徑鉆孔卸壓+瓦斯排放技術(shù)為非突出礦井煤巷的安全快速掘進進行了初步探索，針對不同瓦斯地質(zhì)條件，合理優(yōu)化鉆孔直徑及間距，綜合防治效果還有提升空間。