傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤層條帶瓦斯技術(shù)在突出煤層區(qū)域防突中的應(yīng)用

徐福林

龍煤集團(tuán)雞西分公司，黑龍江雞西 158100

前言

隨著我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的開發(fā)，煤炭資源逐漸枯竭，煤礦企業(yè)也逐步由淺部向深部開采，瓦斯含量梯度由于埋深的增加而增加，原來(lái)低瓦斯礦井逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井或煤與瓦斯突出礦井，這就要求對(duì)雙突礦井的管理越來(lái)越嚴(yán)格，目前如何搞好雙突礦井的瓦斯治理工作，防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生，是擺在煤礦企業(yè)防突管理的主要難題。瓦斯區(qū)域防治技術(shù)在全國(guó)雙突礦井突出工作面得到廣泛應(yīng)用，其各種治理技術(shù)日趨成熟，收到較好的技術(shù)效益；但由于煤礦企業(yè)重產(chǎn)量輕安全，超能力組織生產(chǎn)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，在瓦斯治理方面依然存在資金投入不夠、制度不健全、人員素質(zhì)差、措施不到位等諸多問(wèn)題，瓦斯治理工程存在盲點(diǎn)，沒(méi)有做到“區(qū)域治理先行，局部治理補(bǔ)充”，先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)，效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證超標(biāo)，沒(méi)有經(jīng)安全評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)便盲目組織生產(chǎn)，這是造成煤礦瓦斯事故的主要原因。王家營(yíng)青利煤礦總結(jié)多年來(lái)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)1303接續(xù)采面所在區(qū)段區(qū)域瓦斯賦存情況進(jìn)行了認(rèn)真研究分析，決定將1303綜采工作面分上下兩個(gè)條帶進(jìn)行預(yù)抽，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐，效果很好，有效控制了瓦斯災(zāi)害。

1 概況

王家營(yíng)青利煤礦一采區(qū)首采面1301綜采面已形成并達(dá)到回采條件，下區(qū)段接續(xù)面是1303綜采面，1303綜采面運(yùn)輸巷走向長(zhǎng)度1000米，傾斜長(zhǎng)度140m，煤層傾角15°，開采3#煤層，煤層平均厚度 1.7米，可采儲(chǔ)量28萬(wàn)噸，煤層偽頂為泥質(zhì)灰?guī)r薄層，厚度0.1～0.8米，具有生物碎屑結(jié)構(gòu)；直接頂大部分為砂質(zhì)泥巖，厚度一般在 2.8米左右；老頂是以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的砂巖互層，厚度一般在 11.49米左右；煤層偽底為泥巖薄層，厚度平均2.5米，其下為粉砂質(zhì)泥巖，厚度平均9.5米。3#煤層經(jīng)鑒定屬Ⅲ類不易自然，煤層瓦斯壓力0.85Mpa，瓦斯含量9.59m3/t，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.64，3#煤層瓦斯放散初速度△P為13.52mmHg，屬于低透氣煤層，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)重慶煤科院鑒定3#煤層具有突出危險(xiǎn)性，故嚴(yán)格按照突出煤層去管理。

2 區(qū)域防突治理方案

接續(xù)面1303綜采面區(qū)域防突治理有兩個(gè)方案，一是高抽巷區(qū)域防突治理方案，二是沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯方案。

2.1 高抽巷區(qū)域防突治理方案

圖1 1303綜采工作面區(qū)域防突瓦斯治理方案圖

高抽巷區(qū)域防突治理方案，主要分三個(gè)步驟：一是在距離煤層頂板8～12米法距施工兩條能形成系統(tǒng)通風(fēng)并用于瓦斯治理的巖巷工程，在高抽巷內(nèi)底板分別向下部煤層機(jī)風(fēng)巷打穿層鉆孔，鉆孔終孔打到煤層底板，主要解決機(jī)風(fēng)巷上下幫30米條帶卸壓消突問(wèn)題，經(jīng)效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)降到臨界值后方可掘進(jìn)機(jī)風(fēng)巷，機(jī)風(fēng)巷及切眼掘進(jìn)時(shí)采用局部防突措施；二是采煤工作面采用本煤層傾向鉆孔預(yù)抽，抽采達(dá)標(biāo)后方可回采；三是采煤工作面回采期間瓦斯治理，主要是老唐埋管和高位頂板走向鉆孔抽放，主要解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題。

2.2 沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯方案

所謂沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽方案，具體實(shí)施過(guò)程可分以下幾個(gè)步驟：一是上采面1301運(yùn)輸巷必須沿空留巷且留巷穩(wěn)定性好，通風(fēng)斷面滿足設(shè)計(jì)要求，該留巷是下一采面1303面的回風(fēng)巷；二是將1303綜采面（走向長(zhǎng)1000米，傾斜長(zhǎng)度140米）劃分為上下兩個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段走向長(zhǎng)1000米，傾斜長(zhǎng)度70米，上區(qū)段在上采面1301運(yùn)輸巷（沿空留巷）煤體下幫采用大功率鉆機(jī)施工傾向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度85米，孔徑75毫米，鉆孔間距3米（釋放半徑1.5米），鉆孔數(shù)量330個(gè)，抽采達(dá)標(biāo)后經(jīng)效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證，指標(biāo)降到臨界值以下并經(jīng)安全評(píng)價(jià)后，在1303采煤工作面中部?jī)A向長(zhǎng)度70米處施工一條中巷（專用瓦斯治理巷），中巷下幫距傾向長(zhǎng)鉆孔終孔15米（保護(hù)范圍），中巷長(zhǎng)度1000米，施工到位后，施工70米切眼與1301運(yùn)輸巷（沿空留巷）貫通，形成通風(fēng)系統(tǒng)；同理1303采面下區(qū)段也采用同樣的方法，抽采達(dá)標(biāo)后施工1303綜采面下巷，同1303采面上區(qū)段切眼貫通，形成通風(fēng)系統(tǒng)，上下區(qū)段組成1303綜采工作面，保證傾斜長(zhǎng)度140米。三是1303采煤工作面回采期間瓦斯治理，主要是老唐埋管和高位頂板走向鉆孔抽放，主要解決上隅角瓦斯超限問(wèn)題。

2.3 方案比較

2.3.1 高抽巷區(qū)域防突治理方案，適合在突出危險(xiǎn)區(qū)首采面機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)前采用，主要解決機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)期間條帶消突問(wèn)題，對(duì)本煤層大面積消突問(wèn)題作用不大。具體：一是高抽巷條帶消突鉆孔參數(shù)不易掌握，且負(fù)孔角度難以操作，保護(hù)范圍難以控制，設(shè)計(jì)與施工偏離較大；二是抽放效果差，主要原因是鉆孔內(nèi)積水；三是取樣難且檢驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，給效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證帶來(lái)一定的困難；四是礦務(wù)巖石工程量及投入資金巨大，無(wú)法緩解接替緊張。五是在掘進(jìn)時(shí)容易發(fā)生誤揭煤，必須執(zhí)行先探后掘；六是機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)必須做局部防突。

2.3.2 沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯方案，適合在突出危險(xiǎn)區(qū)首采面已形成，接續(xù)面機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)前采用，也可在本煤層回采前預(yù)抽使用，能對(duì)本煤層大面積消突，不留死角。具體：一是區(qū)段條帶傾向鉆孔參數(shù)容易掌握和操作，盲區(qū)容易控制，可隨時(shí)補(bǔ)打鉆孔，設(shè)計(jì)與施工偏離不大；二是抽放效果好；三是取樣容易且檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證方便；四是無(wú)大量巖巷工程，投入資金少，能緩解接替緊張；五是本煤層巷道掘進(jìn)時(shí)不再做局部防突，掘進(jìn)時(shí)只進(jìn)行效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證；六是采用沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)，提高資源回收率，同時(shí)對(duì)被保護(hù)層煤柱能充分解放，有利于瓦斯的釋放和治理。

2.4 方案確定

通過(guò)對(duì)1303綜采工作面兩種區(qū)域防突治理方案的比較可知，對(duì)相鄰下區(qū)段工作面開采條帶，可采用沿空留巷方式進(jìn)行本煤層傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽，達(dá)到工作面消突目的。該方法打鉆速度較快、成本低，可有效解決相鄰下區(qū)段工作面開采條帶快速布置抽采鉆孔，達(dá)到及時(shí)預(yù)抽煤層瓦斯問(wèn)題。因此采用第二方案沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯方案，安全、經(jīng)濟(jì)、高效、合理。詳見1303綜采工作面區(qū)域防突瓦斯治理方案圖（圖1）。

3 瓦斯抽采及抽采系統(tǒng)

3.1 瓦斯抽采

3.1.1 傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽

在1301綜采工作面運(yùn)輸巷（沿空留巷）下幫打傾向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，主要是預(yù)抽1303接續(xù)面上區(qū)段本煤層瓦斯，以減少回采過(guò)程中的瓦斯涌出量。距1301綜采工作面開切眼3米處開始，沿煤層走向方向每隔3米布置一個(gè)孔徑為75mm的傾向鉆孔，由1301運(yùn)輸巷兩端相向施工，每施工好一個(gè)鉆孔，立即封孔并與運(yùn)輸巷內(nèi)抽放管路對(duì)接。1303接續(xù)工作面上區(qū)段走向長(zhǎng)1000米，傾向?qū)?0米，根據(jù)鉆機(jī)能力及工作面煤層穩(wěn)定條件，實(shí)際施工傾向長(zhǎng)鉆孔長(zhǎng)度都超過(guò)85米，為保證鉆孔深度及中巷掘進(jìn)施工的保護(hù)范圍，打鉆過(guò)程中碰頂?shù)装宓你@孔都重新開孔，平均孔深86.5米，施工鉆孔合計(jì)330個(gè)，鉆孔工程量28545米，原始瓦斯含量207萬(wàn)m3，瓦斯抽采量115m3，抽采率55.4%，抽采達(dá)標(biāo)；下區(qū)段施工鉆孔合計(jì)325個(gè)，鉆孔工程量28112米，原始瓦斯含量167萬(wàn)m3，瓦斯抽采量90萬(wàn)m3，抽采率53.8%，抽采達(dá)標(biāo)；1303工作面原始瓦斯含量總計(jì)374萬(wàn)m3，瓦斯抽采量總計(jì)205萬(wàn)m3，總平均抽采率54.6%。

3.1.2 上隅角瓦斯抽采

上隅角瓦斯抽采技術(shù)是對(duì)回采工作面上隅角特定范圍采取的一種局部輔助抽采措施，其目的是消除上隅角局部可能積聚的高濃度瓦斯。

3.1.2.1 老唐埋管

1303綜采面上隅角瓦斯輔助治理采用老唐埋管和上隅角支架固定管路的聯(lián)合抽采方法。即沿回風(fēng)巷上幫向老唐敷設(shè)一趟Φ225mm瓦斯管，管路伸入老唐20～40米，管路距底板1.5米以上，回采過(guò)程中必須每20米提前預(yù)埋管路，交替進(jìn)行，保證老唐埋管長(zhǎng)度在20～40米，老唐埋管終端采用2米花管，老唐埋管主要抽回風(fēng)巷煤壁側(cè)采空區(qū)下部的瓦斯，防止瓦斯向上隅角流動(dòng)；回采期間上隅角最后一個(gè)支架的頂部固定一根長(zhǎng)5米，直徑225mm且里端2米為花管的抽采管，隨綜采支架一起移動(dòng)，外端用4寸鋼絲軟管與回風(fēng)巷Φ377mm瓦斯管對(duì)接。

3.1.2.2 高位頂板走向鉆孔

高位頂板走向鉆孔就是從工作面回風(fēng)巷沿走向在煤層頂板向采空區(qū)上方施工鉆孔，利用抽采泵負(fù)壓動(dòng)力抽采空區(qū)頂板裂隙及冒落間內(nèi)積存的高濃度瓦斯，對(duì)采空區(qū)下部瓦斯起拉動(dòng)作用，減少工作面瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯積聚。在1303綜采面回風(fēng)巷下幫拔門施工鉆場(chǎng)，先按25°向上施工4～6米，然后變平施工鉆場(chǎng)，使鉆場(chǎng)全部進(jìn)入煤層頂板。鉆場(chǎng)間距100米，鉆孔數(shù)量5個(gè)，鉆孔傾角6°～8°，鉆孔長(zhǎng)度125米，鉆孔之間壓茬距為25米，終孔距煤層頂板14～20米，經(jīng)驗(yàn)表明，一般冒落帶為3～4倍采高，終孔合適的位置是在冒落帶的頂部，這樣布設(shè)抽采流量大、效率高。鉆孔傾向控制在回風(fēng)巷向下3～23米，按扇形布置，終孔布設(shè)在工作面上隅角高瓦斯區(qū)域。

3.2 瓦斯抽采系統(tǒng)

礦井現(xiàn)安裝2臺(tái)2BEC-52型(340r/min)水環(huán)式真空泵用于瓦斯低負(fù)壓抽采，瓦斯泵最大吸氣量233.3m3/min，每臺(tái)真空泵配套280kW高壓隔爆電動(dòng)機(jī)1臺(tái)。根據(jù)選型計(jì)算，礦井現(xiàn)有低負(fù)壓抽采設(shè)備基本滿足項(xiàng)目技改后的高負(fù)壓瓦斯抽采要求，可以作為技改后的高負(fù)壓抽采泵使用，兩臺(tái)真空泵1臺(tái)工作，1臺(tái)備用檢修。低負(fù)壓瓦斯泵選型，根據(jù)選型計(jì)算及設(shè)計(jì)要求，礦井可選用兩臺(tái)2BEC-62型(350r/min)水環(huán)式真空泵用于瓦斯低負(fù)壓抽采，瓦斯泵最大吸氣量388.3m3/min，每臺(tái)真空泵配套400kW高壓隔爆電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，兩臺(tái)真空泵1臺(tái)工作，1臺(tái)備用檢修。1303接續(xù)面抽采總管利用回風(fēng)井中的一趟Φ630PVC瓦斯管，1303綜采面回風(fēng)巷（1301運(yùn)輸巷沿空留巷）及運(yùn)輸巷采用Φ377mmPVC瓦斯管，中巷采用Φ273mmPVC瓦斯管，在1303運(yùn)輸巷、中巷及回風(fēng)巷瓦斯管入口處分別安設(shè)負(fù)壓、流量、濃度、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，瓦斯管在易積水的地點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)放水器。

4 通風(fēng)系統(tǒng)

1303綜采工作面采用“U”型通風(fēng)方式，兩入一回。即1303綜采面運(yùn)輸巷、中巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷（沿空留巷）回風(fēng)。工作面配風(fēng)1700m3/min，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)1200m3/min，中巷進(jìn)風(fēng)500m3/min，通風(fēng)系統(tǒng)合理穩(wěn)定。

5 區(qū)段條帶預(yù)抽瓦斯的效果

1303綜采工作面經(jīng)預(yù)抽3～4個(gè)月，達(dá)到了以下效果：

（1）預(yù)抽時(shí)間與煤層瓦斯的可抽性指標(biāo)煤層透氣性系數(shù)、鉆孔流量衰減系數(shù)、實(shí)際施工的鉆孔孔間距、煤層瓦斯的抽采率有關(guān)。1303綜采工作面預(yù)計(jì)預(yù)抽時(shí)間約為6個(gè)月，實(shí)際1303回采工作面區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)的預(yù)抽時(shí)間相對(duì)減少，上區(qū)段條帶用4個(gè)月時(shí)間，下區(qū)段條帶只用了3個(gè)月。

（2）回采前分別對(duì)本煤層上下區(qū)段條帶采用傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽，減少了回采工作面瓦斯涌出量。上區(qū)段原始瓦斯含量207萬(wàn)m3，瓦斯抽采量115萬(wàn)m3，抽采率55.4%，抽采達(dá)標(biāo)；下區(qū)段原始瓦斯含量167萬(wàn)m3，瓦斯抽采量90萬(wàn)m3，抽采率53.8%，抽采達(dá)標(biāo)；1303工作面原始瓦斯含量總計(jì)374萬(wàn)m3，瓦斯抽采量總計(jì)205萬(wàn)m3，總平均抽采率54.6%。

（3）1303回采面原始瓦斯含量9.59m3/t，采用區(qū)段條帶預(yù)抽后，殘余瓦斯含量為4.34m3/t，按綜采面日產(chǎn)1500t計(jì)算，工作面需風(fēng)排瓦斯絕對(duì)量為4.5m3/min，工作面配風(fēng)量1700m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.26%，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲?.5%，沒(méi)有超限過(guò)一次。

（4）采用區(qū)段條帶預(yù)抽后，煤層中的瓦斯含量下降到4.34m3/t以下，能降低煤層瓦斯壓力及瓦斯含量，起到消突的作用。

（5）經(jīng)預(yù)抽煤層瓦斯后，將大幅度降低采掘作業(yè)時(shí)的瓦斯涌出量，減少風(fēng)排瓦斯，降低礦井配風(fēng)量，減小主要通風(fēng)機(jī)電機(jī)功率，有利于節(jié)能減排。

（6）所抽采瓦斯是優(yōu)質(zhì)氣體燃料，可作為民用、燒鍋爐和發(fā)電用，可減少有害氣體對(duì)大氣環(huán)境的污染。

6 主要經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

6.1 區(qū)段條帶預(yù)抽方案節(jié)約成本

1303綜采工作面節(jié)約成本合計(jì)28093元/m，一個(gè)工作面節(jié)省資金4872萬(wàn)元。

(1) 1303工作面節(jié)省高抽巷巖巷工程2140米，按5500元/m計(jì)算，節(jié)省巖巷開拓資金1177萬(wàn)元。

(2) 高抽巷瓦斯治理鉆孔工程量149730米，12593元/m，節(jié)省打鉆費(fèi)用2695萬(wàn)元。

(3) 實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開采，回收煤柱2.5萬(wàn)t，按10000元/m，節(jié)省資金1000萬(wàn)元。

6.2 區(qū)段條帶預(yù)抽方案社會(huì)效益

(1) 實(shí)現(xiàn)了低透氣性煤層群煤與瓦斯共采，達(dá)到瓦斯抽采的最大化。

(2) 采用無(wú)煤柱開采先進(jìn)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合煤層群下部被保護(hù)煤層瓦斯的解放，有利于瓦斯治理。

(3) 留巷本煤層傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯，抽放效果好，節(jié)省至少兩條用于瓦斯治理的高抽巖巷工程及大量鉆孔工程，“一巷二用”，簡(jiǎn)化了開采布局和采區(qū)巷道系統(tǒng)。

(4) 緩解采掘接替緊張的矛盾。

(5) 回收區(qū)段煤柱8m～10m，提高采區(qū)資源回收率5%～8%。

(6) 抽采的高濃度瓦斯可直接高效利用，實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)和環(huán)境生態(tài)保護(hù)的和諧。

(7) 投資少、見效快，經(jīng)濟(jì)效益顯著，僅1303綜采面一個(gè)面就節(jié)省資金4872萬(wàn)元，一采區(qū)共八個(gè)回采面，預(yù)計(jì)節(jié)省資金超過(guò)4.0億元。

7 結(jié)論及技術(shù)成果

沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯區(qū)域防突治理技術(shù)，在1303綜采工作面的應(yīng)用效果非常顯著，僅1303綜采工作面一個(gè)面就節(jié)省資金4872萬(wàn)元，一采區(qū)共八個(gè)回采面，預(yù)計(jì)節(jié)省資金超過(guò)4.0億元。王家營(yíng)青利煤礦設(shè)計(jì)七個(gè)采區(qū)，其他六個(gè)采區(qū)的綜采工作面象這樣低透氣煤層也同樣有效，必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益；該技術(shù)成果在煤業(yè)集團(tuán)公司其他兩個(gè)類似礦井的突出煤層中得到廣泛應(yīng)用，都產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了礦井采煤工作面抽采達(dá)標(biāo)、高產(chǎn)高效。瓦斯治理的核心內(nèi)容是“先抽后采，抽采達(dá)標(biāo)”，只有事先采取合理有效的瓦斯治理技術(shù)手段，經(jīng)效果檢驗(yàn)、區(qū)域驗(yàn)證達(dá)到抽采指標(biāo)，工作面才能安全回采；但我們?nèi)孕璨粩嗫偨Y(jié)煤礦瓦斯治理先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，為煤礦企業(yè)攻克更多瓦斯治理難關(guān)；沿空留巷分區(qū)段條帶傾向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽瓦斯區(qū)域防突治理技術(shù)成果，不妨在全國(guó)類似條件下突出煤層綜采工作面推廣應(yīng)用。