海孜煤礦瓦斯治理技術(shù)①

聶 政 徐傳田

(淮北礦業(yè)集團海孜礦，安徽淮北 235146)

1 概述

煤礦安全事故中，瓦斯事故是死亡人數(shù)最多、損失最大、后果最嚴(yán)重的災(zāi)難性事故［1］。瓦斯事故的發(fā)生固然與礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重，對突出機理認(rèn)識的有限性有關(guān)，但是技術(shù)和管理的不到位是造成事故發(fā)生的根本原因。因此，只有依靠科技進步，不斷創(chuàng)新瓦斯治理方法，才能實現(xiàn)礦井的長治久安。海孜礦是開采20多年的煤與瓦斯突出礦井，歷史上曾發(fā)生11起瓦斯突出事故，給礦井安全開采帶來了很大的壓力，近年來，海孜礦在瓦斯治理方面進行了一系列的探索和研究，形成了具有礦井自身特色的瓦斯治理技術(shù)體系［2－3］。

2 瓦斯治理技術(shù)

海孜煤礦為突出礦井，共有3、4、7、8、9、10六層可采煤層，共分為三個煤組，其中3、4煤層為上煤組，7、8、9煤層為中煤組，10煤層為下煤組。中、下煤組的7、8、9、10四個煤層均為突出煤層，中煤組7、8、9煤層為強突出危險煤層，煤層松軟，瓦斯壓力大(瓦斯最大壓力分別為:1.7，4.5，4.5，2.46 MPa)，透氣性差(透氣性分別為:0.067，0.384，0.258，0.3615 m2/MPa2.d)。礦井開展了中煤組上保護層、遠(yuǎn)距離下保護層的卸壓開采區(qū)域防突研究;突出保護層實行底板強化抽采等區(qū)域性預(yù)抽防突技術(shù)研究;對弱突出危險煤層則實行順層長鉆孔防突技術(shù)研究等，最后形成了具有海孜煤礦特色的地面孔穿層孔卸壓孔抽采、穿層鉆孔預(yù)抽煤層條帶、順層鉆孔進行工作面大面積預(yù)抽的立體式瓦斯治理技術(shù)體系，在具有突出煤層群開采的礦井均能適用。

2.1 遠(yuǎn)距離下保護層開采防突技術(shù)

海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)主要可采煤層為7、8、10煤層，其中7、8煤層為突出煤層，10煤層距7煤層約120 m。距7煤層頂板55 m處呈礦床分布著穩(wěn)定的火成巖，平均厚度為140 m。按照優(yōu)先開采保護層的原則，選擇開采10煤層作為下保護層的區(qū)域性防突措施。

根據(jù)礦壓理論［4－6］，保護層開采后，上覆煤巖層因采動變形，形成豎向的“三帶”，即冒落帶、裂隙帶、彎曲帶，在裂隙帶內(nèi)形成的裂隙主要為巖層斷裂后產(chǎn)生的大小不等的垂向裂縫和巖層離層后形成的離層裂隙。在彎曲帶內(nèi)形成的裂隙主要為巖層離層后形成的離層裂隙和少部分巖層斷裂后形成的垂向裂縫。根據(jù)上下層位的巖體沉降速度不同及壓實時間的長短，離層裂隙也分三帶:離層裂隙發(fā)育帶、離層裂隙衰減帶、離層裂隙閉合帶。

遠(yuǎn)距離下保護層開采后，卸壓帶內(nèi)被保護層煤體產(chǎn)生膨脹變形、煤體卸壓，瓦斯得到活化解吸。遠(yuǎn)程卸壓瓦斯主要來自于火成巖下的離層帶內(nèi)的煤層。由于在離層帶內(nèi)的煤(巖)層內(nèi)裂隙發(fā)育主要為煤(巖)層順層裂隙(離層)和少部分煤(巖)層破斷后形成的穿層裂隙，卸壓瓦斯解吸后有沿煤體內(nèi)的順層張裂隙流動的較好條件，并最終由阻力較小的穿層裂隙涌入煤巖內(nèi)“弧形”的離層區(qū)，使該區(qū)域成為瓦斯的富集區(qū)域。此時便可利用負(fù)壓在保護層離層區(qū)進行打鉆抽采卸壓瓦斯，為此選用地面鉆孔、頂板穿層鉆孔抽采卸壓7、8、9煤巖層瓦斯方法，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 下保護層開采卸壓抽采鉆孔布置圖

2.1.1 地面鉆井

地面鉆井分別布置在離開切眼90～120 m，工作面推至地面鉆孔前20m的位置開始抽采，以Ⅱ1017工作面1#地面鉆孔為例，距鉆孔8.2 m處開始出瓦斯，瓦斯抽采濃度為43%，抽采純量為1.8m3/min，隨著距鉆孔越來越近，瓦斯抽采濃度逐漸減小，工作面遠(yuǎn)離鉆孔時，瓦斯?jié)舛扔种饾u增加，過鉆孔26 m后，抽采瓦斯?jié)舛壬仙?5.9%，抽采純流量上升至14.1 m3/min，至工作面收尾時瓦斯抽采濃度一直穩(wěn)定在50%以上，最高時達(dá)到95%，地面鉆井抽采量在8 m3/min左右。

2.1.2 遠(yuǎn)距離穿層鉆孔

圖2 遠(yuǎn)距離穿層鉆孔瓦斯抽采隨時間的變化

遠(yuǎn)距離穿層鉆孔布置在高位鉆場內(nèi)，高位巷位于10煤層工作面煤層頂板20～25 m(距中煤組60 m)，平面位置距風(fēng)巷25 m左右，直接從10煤層頂板向工作面后方，施工穿透7、8、9煤的鉆孔。從“圖2遠(yuǎn)距離穿層鉆孔瓦斯抽采隨時間的變化”(1#鉆孔)中可以看出，受采動影響鉆孔前47天為增長期，由于上覆巖層受采動影響后不穩(wěn)定，使得瓦斯抽采量、瓦斯?jié)舛忍S增長，第47天瓦斯抽采量達(dá)到4.2 m3/min，濃度達(dá)到92%;瓦斯增長期平均瓦斯抽采純量1.39 m3/min，平均瓦斯抽采濃度42%;第47天后至第118天，進入平穩(wěn)期，瓦斯抽采量穩(wěn)定在4.4 m3/min左右，瓦斯?jié)舛染S持在90%左右;第118天后，進入瓦斯抽采衰減期，該期間瓦斯抽采時間較長，瓦斯抽采量在3.2 m3/min左右，瓦斯?jié)舛?0%，并呈緩慢下降趨勢，瓦斯單孔計量在第137天后結(jié)束。通過對該地點兩個鉆孔的考察共抽采瓦斯485.82萬m3。

1#鉆孔從孔前70 m處開始抽采瓦斯時，至工作面收作時推過鉆孔132 m，2#鉆孔從孔前78 m開始抽采瓦斯，至工作面收作推過鉆孔106 m;工作面收作時，雖然單孔計量結(jié)束，但是瓦斯抽采總量持續(xù)增長，其抽采半徑還可增大，綜上可知，遠(yuǎn)距離頂板穿層鉆孔在海孜煤礦的抽采半徑可達(dá)100 m以上。

穿層鉆孔共抽采瓦斯267萬m3，其中組煤瓦斯含量為572萬m3，至工作收作，穿層孔瓦斯抽采率達(dá)到44%以上，該地點被保護的中煤組瓦斯含量最大的9煤瓦斯含量由14.02 m3/t降至7.85 m3/t，達(dá)到消突效果。

2.2 開采突出上保護層防突技術(shù)

因地質(zhì)影響，86采區(qū)10煤缺失，無法實施保護層開采，只有利用強突煤層7煤作為8、9煤的保護層，7煤開采采用底板布置巖石巷道、施工底板穿層瓦斯抽采鉆孔，進行區(qū)域防突措施和瓦斯治理措施。

底板巖巷穿層鉆孔抽采原理［7］:通過向突出煤層內(nèi)打大量的密集鉆孔使煤體區(qū)域卸壓，同時抽采瓦斯釋放其潛能，然后再經(jīng)過較長時間的預(yù)抽煤層瓦斯進一步降低其瓦斯壓力與瓦斯含量，并由此引起煤層的收縮變形、地應(yīng)力下降、透氣系數(shù)增高、地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度減小和煤的堅固系數(shù)增加等變化，從而達(dá)到消除突出危險性的目的。

底板瓦斯抽采巷位置選擇:底板瓦斯抽采巷的主要用途是施工并利用穿層鉆孔和管網(wǎng)抽采煤層瓦斯，掩護煤巷掘進及工作面回采前(7、8、9煤層預(yù)抽)、中(7、8、9煤層超前卸壓區(qū))、后(8、9煤層卸壓區(qū))的瓦斯抽采。底板瓦斯抽采巷道位置距離煤層太遠(yuǎn)，會造成所打的穿層鉆孔過長，增加打鉆工程量;距離煤層太近，會由于巖柱的抵抗力不足存在突出安全隱患。底板抽采巷一般布置在巖性較好、距煤層底板20～30 m的巖層中。

鉆場、鉆孔的布置方式:沿巖石集中巷和巖石軌道巷分別布置若干鉆場，鉆場間距一般為40 m，每個鉆場內(nèi)沿走向和傾向布置抽采鉆孔;鉆孔控制巷道周界15 m，鉆孔間距為5 m。

2.3 底板巖巷穿層鉆孔注漿堵漏及擴孔技術(shù)

2.3.1 注漿堵漏技術(shù)實施方案

海孜煤礦圍巖裂隙發(fā)育，以往實踐即使鉆孔封孔距離15 m，也很難保證有很好的抽采效果，為此進行鉆場注漿技術(shù)，其工藝為:一是在鉆孔施工前，先利用瓦斯抽采鉆孔進行注漿，在注漿加固后施工抽采鉆孔，所有鉆孔施工結(jié)束后合茬抽采，看抽采情況。如果瓦斯?jié)舛刃∮?0%，則執(zhí)行第二個步驟;二是在所有鉆孔合茬抽采后，在抽采鉆孔周圍及間隙處施工短孔，利用注漿錨桿進行二次注漿。

第一次注漿:選取抽采鉆孔進行注漿，在抽采鉆孔設(shè)計時，根據(jù)鉆孔布置情況選定鉆孔注漿，其原則是在鉆孔施工區(qū)域進行注漿，平均每個鉆場的注漿鉆孔個數(shù)在7～9個，根據(jù)煤層賦存情況設(shè)計注漿鉆孔，注漿鉆孔施工至煤層底板5m的位置，開采采用直徑為94mm鉆頭施工，施工至終孔下直徑為73mm套管5m，利用速凝膨脹封孔劑進行固管，固管凝固24 h后，進行注漿，注漿壓力不小于4 MPa，并穩(wěn)定10 min后結(jié)束注漿。

第二次注漿:在鉆孔施工周圍及鉆孔之間施工注漿錨桿，施工深度為2.5 m，然后下長度為2 m的注漿錨桿，在外部采用速凝水泥固管長度為300 mm，然后進行注漿，注漿壓力不小于2.5 MPa，并穩(wěn)定10 min后結(jié)束注漿。

2.3.2 擴孔技術(shù)實施方案

為增大抽采半徑、提高抽采效果，穿層孔實施水力沖孔技術(shù)［8］。巖石段采用直徑為94 mm鉆頭鉆進，采用水排渣，見煤后采用壓風(fēng)排渣，施工至煤層頂板0.5 m，然后將鉆頭提至9煤見煤點，用水進行沖孔，沖孔時先控制水壓在2 MPa左右，隨著進入煤層0.3 m逐漸加大水壓(7 MPa)至7煤頂板，在沖孔過程中要做到先低壓慢進，當(dāng)鉆頭進入煤層0.3 m后，做到高壓慢進，以利于將煤沖出，然后在煤孔內(nèi)循環(huán)鉆進至沖不出煤后再退鉆。

2.3.3 實施效果

在86底板抽采巷鉆場內(nèi)注漿，每個鉆場內(nèi)注漿鉆孔分別為7～9個，注漿壓力在4.5～5.5MPa，考察的1～4號鉆場注漿總量為1955 kg，單孔平均為63.1kg。

水力擴孔在1號鉆場施工鉆孔47個，沖煤量為299.4 t，平均每米沖煤0.91 t，對應(yīng)的沖孔半徑為0.48 m;在2號鉆場施工鉆孔44個，沖煤量為271.6 t，平均每米沖煤0.88 t，對應(yīng)的沖孔半徑為0.47 m;在3號鉆場施工鉆孔39個，沖煤量為215.6 t，平均每米沖煤0.79 t，對應(yīng)的沖孔半徑為0.45 m;在4號鉆場施工鉆孔49個，沖煤量為267.7 t，平均每米沖煤0.78 t，對應(yīng)的沖孔半徑為0.44 m。

1號鉆場于2011年6月份合茬抽采，通過負(fù)壓、濃度、流量分析，抽采負(fù)壓13.6～19.3 kPa，抽采濃度42～50%，抽采純流量0.46～1.53 m3/ min，既解決了穿層鉆孔抽采負(fù)壓、濃度低、抽采效果差的現(xiàn)象，又有效地降低了煤層瓦斯壓力，從而達(dá)到消突目的。

具體見“圖3 86底板抽采巷1#鉆場抽采曲線圖”。

2.4 順層長鉆孔防突技術(shù)

2.4.1 實施方案

海孜煤礦Ⅱ102采區(qū)10煤層標(biāo)高－623 m以淺的區(qū)域為無突出危險區(qū)域，標(biāo)高－623 m及以深的區(qū)域為突出危險區(qū)。Ⅱ1026工作面大部分處于突出危險區(qū)，為此需要施工順層鉆孔進行區(qū)域治理，從Ⅱ1026里段風(fēng)巷、Ⅱ1026機巷、Ⅱ1026開切眼以及Ⅱ1024軌道巷向工作面煤層施工順層鉆孔，由于鉆機能力受限，順層鉆孔無法覆蓋整個采煤工作面，為此專門施工措施巷(Ⅱ1026風(fēng)聯(lián)巷)進行瓦斯治理，為有利于采煤期間過措施巷的瓦斯管理，措施巷末端向工作面方向改向施工10 m。Ⅱ1026風(fēng)聯(lián)巷掘進前，同樣采用順層鉆孔提前預(yù)抽達(dá)標(biāo)。Ⅱ1026工作面順層鉆孔施工情況如“圖4Ⅱ1026工作面順層鉆孔施工情況”所示。順層鉆孔分別按間距5 m、構(gòu)造區(qū)域間距3 m布置，在施工盲區(qū)內(nèi)補充了部分順層鉆孔，保證抽采鉆孔的有效控制范圍。

2.4.2 實施效果

Ⅱ1026工作面共施工638個順層防突鉆孔，鉆孔工程量為44713.3 m;通過填圖分析，順層預(yù)抽鉆孔按設(shè)計基本施工到位，分布均勻，鉆孔間距5 m(局部地點孔間距為3 m)，對于塌孔，已進行了及時補孔，符合設(shè)計要求，無抽采盲區(qū);抽采時間為92天～341天，均大于3個月，其中抽采時間小于5個月的均處于無突出危險區(qū);根據(jù)計算的預(yù)抽時間差異系數(shù)，將Ⅱ1026工作面劃分了11個評價單元，通過間接法計算工作面的所有評價單元的殘余瓦斯含量為3.76～5.79 m3/t，效檢孔殘余瓦斯含量為1.56～5.76 m3/t，兩種方法瓦斯含量均小于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，達(dá)到消除突出危險的目的。

圖3 86底板抽采巷1#鉆場抽采曲線圖

圖4 Ⅱ1026工作面順層鉆孔施工情況

3 結(jié)論

通過采取遠(yuǎn)距離下保護層開采技術(shù)、開采突出上保護層技術(shù)、底板巖巷穿層鉆孔注漿工藝及擴孔技術(shù)、順層長鉆孔防突技術(shù)的應(yīng)用，安全回采了84采區(qū)中煤組所有工作面、86采區(qū)的762工作面;Ⅱ水平12個10煤層工作面，目前正在回采的962、Ⅱ1026工作面及Ⅱ10113機巷的區(qū)域治理防突效果檢驗均一次性通過集團公司驗收，形成了具有海孜煤礦特色的開采下保護層時在地面施工地面鉆井進行穿層孔卸壓孔抽采、在底板巖巷采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層條帶、在回采工作面機風(fēng)巷采用順層鉆孔進行工作面大面積預(yù)抽的立體式瓦斯治理技術(shù)體系。

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