近距離突出煤層群煤巷瓦斯預(yù)抽設(shè)計(jì)研究

張鳳杰，袁德權(quán)，任?；郏R錢錢，王 凱

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037;2.國(guó)家煤礦安全技術(shù)工程研究中心，重慶400037;3.貴州安和礦業(yè)科技工程股份有限公司，貴州貴陽(yáng)550023;4.山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西晉城048205)

突出煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，嚴(yán)重影響礦井瓦斯的高效安全治理［1－3］，尤其是近距離突出煤層群的開(kāi)采，其抽采方式的選擇和抽采鉆孔的合理參數(shù)直接影響到瓦斯抽采效果的好壞。

某礦為基建礦井，設(shè)計(jì)產(chǎn)量1.2Mt/a，井田內(nèi)賦存上下2個(gè)煤組，煤組間距約90～145m，平均間距為115m。上煤組主要可采煤層為6號(hào)、7號(hào)煤層，下煤組主要可采煤層為16號(hào)、23號(hào)、27號(hào)煤層等。

井田范圍內(nèi)煤層瓦斯含量高，透氣性差，該礦6號(hào)、7號(hào)、16號(hào)煤層均鑒定為突出煤層，礦井屬于突出煤層群開(kāi)采，且上煤組的突出危險(xiǎn)性高于下煤組。鑒于近距離煤層群采動(dòng)影響后鄰近層瓦斯涌出治理難度大，為了實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯有效治理和礦井安全生產(chǎn)，對(duì)該礦進(jìn)行近距離突出煤層群開(kāi)采煤巷條帶預(yù)抽瓦斯設(shè)計(jì)研究。

1 煤巷條帶瓦斯預(yù)抽方式設(shè)計(jì)

瓦斯抽采巷層位和位置的合理選擇，對(duì)瓦斯抽采巷掘進(jìn)期間的安全掘進(jìn)、煤巷條帶抽采的鉆孔工程量、鄰近層卸壓瓦斯的抽采方法和鉆孔工程量有重要影響［4－5］，基于上述原則確定礦井上下煤組瓦斯抽采巷的層位和位置。

1.1 下煤組瓦斯抽采巷層位和位置的確定

礦井首采下煤組的分區(qū)為一、三分區(qū)，首采下煤組的16號(hào)煤層，下煤組16號(hào)煤層與上煤組7號(hào)煤層之間層間距較大 (平均約為130m)。16號(hào)煤層頂板30m范圍內(nèi)賦存砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)灰?guī)r (輔標(biāo))、粉砂巖、細(xì)砂巖，全區(qū)穩(wěn)定。

在下煤組中，一分區(qū)16號(hào)與17號(hào)煤層平均層間距為7.52m;17號(hào)與20號(hào)煤層平均層間距為21.59m;三分區(qū)16號(hào)與17號(hào)煤層平均層間距為8.46m;17號(hào)與20號(hào)煤層平均層間距為18.05m。

從一、三分區(qū)下煤組的煤層賦存間距及層間巖性來(lái)看，結(jié)合《防突規(guī)定》二十一條要求，在16號(hào)煤層頂板10～30m范圍內(nèi)具備布置頂板專用瓦斯抽采巷的條件。

頂板瓦斯抽采巷的層位應(yīng)大于煤層最大垮落帶高度，根據(jù)以下公式計(jì)算下煤組16號(hào)煤層的最大垮落高度［6］:

式中，Hm為最大垮落帶高度;M為煤層采厚;K為冒落巖石碎脹系數(shù)，按照煤層層間巖性考慮，取1.2;α為煤層傾角，15°;W為冒落過(guò)程中頂板的下沉值，通常取0.2m。

經(jīng)計(jì)算得出:一分區(qū)16號(hào)煤層Hm=9.24m;三分區(qū)16號(hào)煤層Hm=11.91m。因此16號(hào)煤層的頂板瓦斯抽放巷宜選擇在距離16號(hào)煤層法距約12m處。頂板專用瓦斯抽放巷布置如圖1所示。

鑒于下煤組16號(hào)煤層頂板存在不可采的煤線15號(hào)煤層，其距離16號(hào)煤層間距為12.25～35.45m，平均層間距17.83m。因此，16號(hào)煤層頂板瓦斯抽采巷應(yīng)采取邊探邊掘的方式，確保頂板瓦斯抽采巷距離16號(hào)煤層法距為12m，同時(shí)探明頂板瓦斯抽采巷層位與15號(hào)煤層的層位關(guān)系，當(dāng)探測(cè)頂板瓦斯抽采巷距離15號(hào)煤層的最小法向距離小于5m時(shí)，必須對(duì)15號(hào)煤層采取區(qū)域綜合防突措施，確保頂板瓦斯抽采巷掘進(jìn)工作面前方15號(hào)煤層無(wú)突出危險(xiǎn)性后方可進(jìn)行掘進(jìn)。其邊探邊掘鉆孔布置示意圖如圖2所示。

圖1 頂板專用瓦斯抽放巷布置示意

圖2 16號(hào)煤層頂板瓦斯抽采巷邊探邊掘示意

1.2 上煤組瓦斯抽采巷層位和位置的確定

礦井首采上煤組的分區(qū)為二分區(qū)，首采上煤組的7號(hào)煤層，上煤組7號(hào)煤層頂板存在6－1和6號(hào)煤層，且為突出煤層，7號(hào)與6－1號(hào)煤層之間為10.90～25.50m，平均層間距17.70m，煤層間距變化較大，在7號(hào)煤層頂板布置專用瓦斯抽采巷存在誤穿突出煤層的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，7號(hào)煤層不具備布置頂板專用抽放巷的條件。

二分區(qū)7號(hào)煤層底板為細(xì)砂巖、粉砂巖和石灰?guī)r，在底板9.56～29.40m之間，平均16.59m處賦存有一層平均2.34m的石灰?guī)r標(biāo)五，該標(biāo)志層全區(qū)穩(wěn)定。因此，在7號(hào)煤層底板標(biāo)五層位處布置底板專用瓦斯巷。

設(shè)計(jì)底板瓦斯抽采巷布置在工作面巷道法線方向:從與工作面巷道法線相交的標(biāo)高位置沿巖層走向方向布置瓦斯抽采進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷;瓦斯抽采回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷在切眼處貫通后形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是:不用揭煤，安全性高;不需要另開(kāi)石門，有利于解決采掘接替緊張的局面;鉆孔均為上向孔，抽采效果好;鉆孔施工長(zhǎng)度短，工程量小;避開(kāi)卸壓范圍，巷道維護(hù)費(fèi)用低。底板瓦斯抽采巷布置方式如圖3所示，在工作面內(nèi)錯(cuò)40m進(jìn)行布置。

圖3 底板瓦斯抽采巷布置示意

由于上煤組7號(hào)煤層底板存在9號(hào)、8號(hào)煤線，厚度為0.3m，并在標(biāo)五下部10m范圍內(nèi)賦存砂質(zhì)泥巖或粉砂巖、10號(hào)煤線、粉細(xì)砂巖互層等，因此，7號(hào)煤層沿標(biāo)五掘進(jìn)底板瓦斯專用抽采巷應(yīng)采取邊探邊掘的方式，確保底板瓦斯抽采巷掘進(jìn)工作面前方上部的8號(hào)、9號(hào)煤層和下部的10號(hào)煤層消除突出危險(xiǎn)性后方可進(jìn)行掘進(jìn)。

2 煤巷條帶預(yù)抽參數(shù)確定

煤巷條帶預(yù)抽鉆孔的主要參數(shù)為鉆孔終孔間距。該參數(shù)是影響煤巷條帶預(yù)抽鉆孔在一定時(shí)間條件下抽采效果的主要因素，合理鉆孔間距應(yīng)遵循抽采時(shí)間長(zhǎng)、鉆孔施工短的原則進(jìn)行選擇。通過(guò)比較在不同鉆孔間距條件下，鉆孔施工與抽采時(shí)間是否能夠滿足現(xiàn)有的鉆孔施工條件和抽掘采銜接要求，確定合理的鉆孔間距。

由于該礦處于基建階段，可參照相似礦區(qū)煤巷條帶瓦斯預(yù)抽效果及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析。

2.1 抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間確定

該礦煤層瓦斯含量為15～22m3/t，6號(hào)、7號(hào)、16號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.0529～0.2394 m2/(MPa2·d)。

類似礦區(qū)瓦斯抽采效果如表1所示。由表1可知，該礦煤層瓦斯含量在15～22m3/t的條件下，若不采取強(qiáng)化抽采措施，則煤巷條帶預(yù)抽鉆孔間距為5m時(shí)，其抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間不小于2a;間距為3m時(shí)，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間不小于1a。

表1 類似礦區(qū)瓦斯抽采效果統(tǒng)計(jì)

由于抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將不利于礦井按期投達(dá)產(chǎn)，因此，可以利用煤層增透措施來(lái)強(qiáng)化煤層瓦斯抽采［7－8］，縮短抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間。近年來(lái)，水力壓裂煤層增透工藝在重慶松藻、淮南等礦區(qū)推廣使用效果顯著，如表2所示。

從表2可知，相似礦區(qū)在水力壓裂前后煤層透氣性系數(shù)增加100倍左右，達(dá)標(biāo)時(shí)間減少一半左右，抽采鉆孔間距由原來(lái)的3m增加到6m左右。在該礦采用水力壓裂，在鉆孔間距不大于6m時(shí)，其抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間減少至1a以內(nèi)是可行的。確定壓裂后穿層鉆孔間距為3～5m，壓裂后抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間為1a以內(nèi)。

表2 不同礦區(qū)水力壓裂增透措施效果對(duì)比

2.2 鉆孔間距研究

通過(guò)不同鉆孔間距條件下對(duì)井下鉆孔作業(yè)人數(shù)、施工時(shí)間和對(duì)礦井抽掘采銜接影響程度3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，綜合確定合理的鉆孔間距。

2.2.1 作業(yè)人數(shù)分析

以巖巷掘進(jìn)速度100m/月、煤巷條帶預(yù)抽鉆孔施工速度能夠跟上巖巷掘進(jìn)速度為例，預(yù)抽鉆孔間距為3m和5m時(shí)，其掘進(jìn)的巖巷內(nèi)同時(shí)作業(yè)人數(shù)分析如表3所示。

采用預(yù)抽鉆孔間距為3m相比鉆孔間距為5m時(shí)，鉆孔工程總量增加2.5倍左右，巷道內(nèi)同時(shí)作業(yè)的人數(shù)多4～10人，而根據(jù)該礦區(qū)的實(shí)際情況來(lái)看，巷道內(nèi)的作業(yè)人數(shù)在10人左右較為合適。因此，煤巷條帶預(yù)抽鉆孔間距宜采用5m。

表3 巷道同時(shí)作業(yè)人數(shù)分析

2.2.2 施工時(shí)間和采掘接替關(guān)系分析

預(yù)抽鉆孔間距為3m和5m，工作面走向長(zhǎng)2000m，3臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工鉆孔時(shí)，對(duì)施工時(shí)間和采掘接替進(jìn)行分析，如表4所示。

表4 施工時(shí)間與采掘接替對(duì)比

(1)施工時(shí)間 當(dāng)選擇鉆孔間距為3m時(shí)，16號(hào)和7號(hào)煤層的鉆孔施工對(duì)于巖巷施工時(shí)間分別滯后巖巷7.8個(gè)月和21.2個(gè)月;而采用鉆孔間距為5m時(shí)，鉆孔工程量小，且煤巷條帶穿層鉆孔施工速度能夠跟上巖巷的掘進(jìn)速度。因此，煤巷條帶預(yù)抽鉆孔間距宜采用5m。

(2)采掘接替 以巖巷開(kāi)始掘進(jìn)為起始時(shí)間、以巷道掘進(jìn)到切眼位置為終止時(shí)間為例，當(dāng)選擇鉆孔間距為3m時(shí)，在抽采達(dá)標(biāo)條件下一分區(qū)16號(hào)煤層和二分區(qū)7號(hào)煤層工作面準(zhǔn)備時(shí)間分別為33.8個(gè)月和47.2個(gè)月;選擇鉆孔間距為5m時(shí)，在抽采達(dá)標(biāo)條件下一分區(qū)16號(hào)煤層和二分區(qū)7號(hào)煤層工作面準(zhǔn)備時(shí)間為32.8個(gè)月 (其中增透時(shí)間為0.8月)，采掘接替不緊張。因此，煤巷條帶預(yù)抽鉆孔間距宜采用5m。

綜上所述，確定煤巷條帶預(yù)抽鉆孔間距為5m。

3 鉆孔布置

3.1 下煤組16號(hào)煤層煤巷條帶鉆孔布置

在頂板瓦斯抽采巷內(nèi)每隔5m布置一排預(yù)抽鉆孔，鉆孔呈扇形布置，采用強(qiáng)化預(yù)抽措施，預(yù)抽時(shí)間為12個(gè)月。煤層屬于傾斜煤層，其煤巷條帶預(yù)抽鉆孔控制工作面巷道上幫輪廓線外至少20m，下幫輪廓線外至少10m;其下組煤16號(hào)煤層煤巷條帶預(yù)抽鉆孔布置見(jiàn)圖1所示。

3.2 上煤組7號(hào)煤層煤巷條帶鉆孔布置

在底板瓦斯抽采巷內(nèi)每隔5m布置一排預(yù)抽鉆孔，鉆孔呈扇形布置，采用強(qiáng)化預(yù)抽措施，預(yù)抽時(shí)間為12個(gè)月。由于二分區(qū)7號(hào)煤層屬緩傾斜煤層，其煤巷條帶預(yù)抽鉆孔控制工作面巷道上幫輪廓線外至少15m，下幫輪廓線外至少15m。其上煤組7號(hào)煤層煤巷條帶預(yù)抽鉆孔布置見(jiàn)圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)礦井近距離突出煤層群開(kāi)采的特殊地質(zhì)情況，對(duì)該礦進(jìn)行煤巷條帶瓦斯預(yù)抽設(shè)計(jì)研究。

(1)根據(jù)煤層賦存情況，確定首采下煤組16號(hào)煤層的頂板瓦斯抽放巷宜選擇在距離16號(hào)煤層法距約12m處;上煤組7號(hào)煤層在底板標(biāo)五層位處布置底板專用瓦斯巷。

(2)為強(qiáng)化抽采效果，設(shè)計(jì)采用水力壓裂增透措施，分析確定抽采時(shí)間為12個(gè)月及預(yù)抽鉆孔間距為5m，鉆孔呈扇形布置。相似地質(zhì)條件的礦區(qū)實(shí)踐證實(shí)該方法設(shè)計(jì)合理，抽采有效。

(3)近距離突出煤層群開(kāi)采時(shí)，需進(jìn)行區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，必須采取區(qū)域綜合防突措施，并進(jìn)行效果檢驗(yàn)后方可進(jìn)行作業(yè)，還應(yīng)對(duì)煤層變形和瓦斯流動(dòng)的影響做進(jìn)一步的研究。

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