某礦12610 掘進工作面瓦斯治理技術研究

牛福泉

（徐礦集團張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221000）

0 引言

瓦斯災害是制約煤礦安全高效生產的重要因素之一[1-3]。某礦2 號煤層瓦斯含量中甲烷成分均高于80%，2#煤層處于甲烷帶，根據探明資料顯示，該礦屬于高瓦斯礦井，12610 掘進工作面范圍瓦斯含量預測參數為5～9 m3/t，采掘過程中應著重測定12610 掘進工作面煤層瓦斯參數，根據實測的工作面瓦斯參數，采取鉆孔抽采的方法治理瓦斯超限問題，保證安全生產。

1 工程概況

工作面所掘煤層為二疊系下統山西組2#煤層，掘進期間，瓦斯含量：5.5 m3/t；掘進施工期間絕對瓦斯涌出量為：1.2 m3/min；瓦斯壓力：0.36 MPa；煤塵爆炸指數：32.68%，抑制煤塵爆炸最低巖粉量50%，火焰長度20 mm；自燃傾向性等級Ⅱ類，屬自燃煤層，煤層自燃發火期4 個月；地溫24.6 ℃，地壓正常。煤層預抽瓦斯可抽性指標，如表1 所示。

表1 2#煤層瓦斯可抽性指標

對照表可知，某礦從鉆孔瓦斯流量衰減系數和煤層透氣性系數來判定屬于可以抽采的煤層，具備進行本煤層瓦斯抽采的條件。

2 掘進工作面瓦斯治理

2.1 工作面瓦斯超前治理

該工作面埋深低于500 m，煤層堅固性系數大于0.5，因此采用順層條帶鉆孔治理12610 工作面瓦斯能滿足《防突細則》要求。

2.1.1 預抽鉆孔

12610 工作面采用在10610 皮帶巷布置順層預抽鉆孔的方法進行瓦斯治理。鉆孔呈高、低鉆孔“三花”布置，鉆孔均垂直于煤壁打設，鉆孔直徑113 mm，以每施工10 個鉆孔測定一個鉆孔軌跡進行分析，保證鉆孔施工質量。需根據鉆孔成孔情況適當補打鉆孔，最大限度減少瓦斯抽采的空白帶；為能夠較好把控鉆孔施工質量，掌握煤層厚度情況；施工前兩個鉆孔（1#、2#）以終孔位置至頂、底板為成孔。

2.1.2 水力造穴增透

水力造穴增透機理為：采用高壓射水流在鉆孔中切割其周圍的煤體，在順層預抽鉆孔周邊，通過高壓射水沖擊切割形成具有一定空間區域，利用高壓射水水流將孔中切割下來的煤巖沖出孔外。孔內形成空間，使煤體卸壓。釋放煤體彈性，煤層中的賦存瓦斯被充分釋放，并進行抽采，從而降低煤體中賦存瓦斯含量。并提高造穴鉆孔及鄰近抽采鉆孔的瓦斯含量，以提高煤層透氣性，提高低透煤層瓦斯抽采效率，縮短采掘抽采達標時間，提高回采速度，保障工作面初采安全。設計在12610 工作面后500 m 段進行水力造穴。

2.2 瓦斯抽采鉆孔參數確定

鉆孔垂直于巷道施工（鉆孔方位角為209°），在10610 皮帶巷距+1024 水平南翼膠帶輸送機大巷70 m 處開始向12610 工作面施工普通鉆孔，施工長度580 m。鉆孔間距為2 m，鉆孔深度為60 m。奇數孔開孔高度1.8 m，按-1°施工（鉆孔施工傾角需根據實際情況及時調整），鉆孔終孔控制距煤層頂板2 m；偶數孔開孔高度1.3 m，鉆孔按-3°施工（鉆孔施工傾角需根據實際情況及時調整），鉆孔終孔控制距煤層底板1.5 m。設計鉆孔數為291 個、鉆孔進尺17 460 m。

在10610 皮帶巷距+1024 水平南翼膠帶輸送機大巷650 米處開始向12610 工作面進行水力造穴（鉆孔方位角為209°），施工長度500 m。每6 m 施工一個水力造穴鉆孔，相鄰兩個水力造穴鉆孔之間施工兩個普通鉆孔，水力造穴鉆孔開孔高度1.8 m，普通鉆孔開孔高度1.3 m，普通鉆孔與造穴鉆孔間距為2 m，普通鉆孔與普通鉆孔間距為2 m，造穴鉆孔深度230 m，普通鉆孔深度為60 m。從孔底開始造穴，穴間距為8 m，穴型長度1 m、直徑0.8 m，每孔造穴24 個，單穴出煤量為0.7 t，造穴鉆孔按-1°施工，普通孔按-3°施工（鉆孔施工傾角需根據實際情況及時調整），造穴鉆孔終孔控制距煤層頂板2.5 m，普通鉆孔終孔控制距煤層底板1.5 m，設計造穴鉆孔數為85 個，普通鉆孔數為165 個，鉆孔進尺29 450 m。

2.3 鉆孔施工管理

鉆孔施工完畢必須及時下篩管；使用管徑Φ63 mm的封孔管時，除鉆孔淺部安裝封孔管外，全孔下篩管；使用管徑Φ75 mm 的封孔管時，鉆孔全孔下篩管。

鉆孔下封孔管不少于5 根，封孔長度不少于15 m。采用“兩堵一注”封孔器封孔，囊袋兩端用專用卡箍分別固定不少于兩道，每根封孔管對接處必須涂抹PVC膠水并用膠帶纏繞不少于三圈。注漿段為直管且長度不低于12m，管徑Φ63 mm 或Φ75 mm 封孔管，外囊袋距孔口為2.0～2.5 m 之間。順層鉆孔采取分組聯接方式。

抽采達標后，將管路及其附件進行拆除，將鉆孔進行封堵。封堵采用封孔水泥全孔注漿。

2.4 施工設備

2.4.1 抽采設備

由地面瓦斯抽采泵站高負壓系統進行瓦斯抽采[4]，高負壓系統配備兩臺2BEC80 型水環真空泵（一臺使用一臺備用），真空泵電機功率為800 kW，額定抽氣量為660 m3/min。

2.4.2 管路選型

根據《礦井抽采設計變更》和相關標準采用下式計算d=145.7（Q/v）1/2。式中：d 為抽采瓦斯管內徑；Q為瓦斯管中瓦斯流量；V 為瓦斯管中瓦斯平均流速v=5～12 m/s。預計高負壓支管Q 混合量為40 m3/min、流速為8 m/s。由公式計算得出高負壓管路內徑325 mm。實際選型為：12610 鄰巷預抽選用Φ380 mm管滿足要求。

2.5 鉆孔封孔注漿工藝

1）本煤層順層抽采鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔器進行封孔注漿，封孔長度不低于15 m。注漿段為直管且長度不低于12 m，管徑Φ63 mm 或Φ75 mm 封孔管，外囊袋距孔口為2.0～2.5 m 之間。順層鉆孔采取分組聯接方式，利用高負壓抽采系統進行抽采。

2）注漿料和水的比例為1∶1.2，攪拌注漿料2～3 min，當注漿壓力達到1.4 MPa 后或者封孔管內開始返漿時停止注漿，觀察注漿壓力表數值且不在出現壓力明顯下降時注漿結束。

3）鉆孔聯網單孔孔口應安裝觀測孔。

4）抽采管路各類接頭（包括快速接頭、高壓膠管、閥門、匯流管等）必須采用標準件連接。抽采管路上不使用的接口必須及時加裝標準堵頭，防止漏氣。

5）設計每6 個鉆孔為一組，每組鉆孔應集中設置一個放水排渣裝置，每10 組安裝一個負壓表。

6）每組抽采鉆孔必須成行成排，每個抽采孔密封管快速接頭必須向下。輔助抽水管必須低于抽水口的水平面，防止積水；合流管必須保持3°傾斜角在一條直線上，所有鉆井抽吸管必須進入排渣裝置，然后連接到主排水管。

3 瓦斯抽采效果分析

鉆孔鉆進完成后，通過瓦斯抽放管路進行連續抽采。抽采時間由2021 年5 月8 日開始，12610 皮帶巷瓦斯總管路瓦斯抽采濃度和純流量變化曲線，如圖所示，由圖1 可知，隨著抽采時間逐步延續，瓦斯抽采濃度和純流量的變化為增長—穩定—下降，5 月8 日—22 日為增長階，段瓦斯抽采濃度（瓦斯體積分數，全文相同）由14.2%增長到16.6%、純流量為3.3 m3/min增長到3.8 m3/min；5 月23 日—7 月2 日為穩定的階段，瓦斯抽采濃度約為13.6%、純流量約為2.4 m3/min；7 月3 日—7 月19 日為降低的階段，瓦斯抽采濃度約為7.1%、純流量約為1.3 m3/min，采空區的上覆巖層發生冒落起到關鍵作用。

圖1 12610 皮帶巷瓦斯總管路瓦斯抽采情況

以6#鉆孔為例，瓦斯抽采濃度和純流量變化，如圖2 所示。增長階段，煤層頂板裂縫不發育，采空區中部的頂板覆巖首先發生垮落，采空區兩側的氣體傳輸能力小于采空區中部氣體傳輸能力，瓦斯濃度和純流量值都較小低。當煤層頂板首次垮落后，二者量值發生快速增大，瓦斯抽采濃度由7.2%增加到22.4%、純流量由0.6 m3/min 增加到2.4 m3/min；穩定階段，煤層頂板發生周期性的垮落，采空區兩側導氣性增強，頂板巖石裂隙擴展增大，瓦斯的主要存儲于此，可以進行高濃度、高流量瓦斯抽采，瓦斯抽采濃度20.4%以上、純流量分別2.3 m3/min 以上；降低階段，采空區上覆巖石縫隙閉合并逐漸壓實，鉆孔瓦斯濃度和純流量逐漸衰減，瓦斯抽采濃度下降約5.6%、純流量約為0.2 m3/min。

圖2 15303 輔助運輸順槽6 號鉆孔瓦斯抽采情況

4 結語

通過結合某礦12610 工作面頂板的地質特征，確定了預抽鉆孔+水力造穴增透的瓦斯治理方法，12610 工作面回采的期間，抽采瓦斯的流量較大、濃度較高，抽采效果較好，確保工作面瓦斯濃度控制在允許范圍內，保證了12610 工作面的安全高效回采，驗證了預抽鉆孔+水力造穴增透的瓦斯技術在瓦斯治理中的可靠性、有效性。