底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突技術(shù)在張集礦的應(yīng)用

倪廉欽，王佰順，胡祖祥

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突技術(shù)在張集礦的應(yīng)用

倪廉欽，王佰順，胡祖祥

(安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

[摘要]針對(duì)張集礦8煤層瓦斯壓力高、瓦斯涌出量大和煤層透氣性系數(shù)低等特點(diǎn)，為掩護(hù)煤巷安全快速掘進(jìn)，基于煤層瓦斯流動(dòng)與賦存特性及預(yù)抽鉆孔的優(yōu)化布置，采用底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)研究表明：鉆孔預(yù)抽40d后，煤層殘余瓦斯壓力為0.42MPa，殘余瓦斯含量為2.80m3/t，分別下降了59.6%和38.2%；累計(jì)抽采瓦斯達(dá)6.4×104m3，抽采率達(dá)到38.22%，抽采純量達(dá)1.74m3/min，穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯取得較好效果，有效地消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了快速消突的目的。

[關(guān)鍵詞]穿層鉆孔；預(yù)抽瓦斯；優(yōu)化布置

Application Of Removing Outburst With Pre-drainage Gas In

the Coal-seam Floor In Zhangji Colliery

[引用格式]倪廉欽，王佰順，胡祖祥.底板穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突技術(shù)在張集礦的應(yīng)用[J].煤礦開采，2015，20(6)：108-111.

隨著開采深度的增加和地應(yīng)力的增高，煤層透氣性隨之降低，對(duì)于高瓦斯壓力、高瓦斯含量煤層，鉆孔抽采瓦斯消突時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了煤礦的采掘接替。由于受地質(zhì)條件的影響，有些保護(hù)層轉(zhuǎn)變?yōu)橛型怀鑫ｋU(xiǎn)性，使具有開采保護(hù)層條件的突出礦井越來越少，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，應(yīng)采用穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)進(jìn)行消突[1]。在煤層底板向目標(biāo)煤層施工穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采，也可以進(jìn)行快速消突，實(shí)現(xiàn)煤礦安全開采。通過鉆孔的優(yōu)化布置，提高預(yù)抽瓦斯消突效果，使煤層突出危險(xiǎn)性大大降低，有效緩解采掘交替緊張局面，實(shí)現(xiàn)工作面的安全高效生產(chǎn)[2-4]。

針對(duì)張集礦8煤層瓦斯含量大、壓力高和透氣性低等特點(diǎn)，并結(jié)合該煤層的地質(zhì)條件，在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)域施工底板預(yù)抽巷，在巷道內(nèi)實(shí)施穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，并進(jìn)行了消突效果考察。

1工作面概況

張集礦14218工作面主采8煤層，該區(qū)域煤層為突出煤層。14218工作面位于西二采區(qū)，工作面標(biāo)高為-570～-590m，煤層厚度0.60~5.53m，平均為3.02m，透氣性系數(shù)為0.01019m2/(MPa2·d)。實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯含量為5.397m3/t，原始瓦斯壓力為1.04MPa。其頂?shù)装鍨槟鄮r、砂質(zhì)泥巖。巷道距8煤底板14~18m。14218工作面煤層最大絕對(duì)瓦斯涌出量為43.24m3/min。

2穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽瓦斯消突機(jī)理

通過向突出煤層實(shí)施密集鉆孔，使鉆孔周圍煤層局部卸壓。在抽采負(fù)壓的作用下，通過預(yù)先抽出煤層瓦斯，可以降低突出危險(xiǎn)性煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量，釋放煤體內(nèi)的突出潛能，消弱突出發(fā)生的主動(dòng)力和能量。釋放煤體中的瓦斯后，煤層發(fā)生收縮變形，煤層透氣性大大增加，煤層應(yīng)力集中程度明顯降低。通過增大煤體強(qiáng)度，以增強(qiáng)煤體的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，有效地阻礙煤與瓦斯突出，從而達(dá)到消除或減弱煤層突出危險(xiǎn)性的效果[5-6]。

在抽采初期，隨著煤體中的游離瓦斯被抽出，瓦斯壓力迅速下降，但煤層瓦斯含量的下降速度則比較緩慢，這是因?yàn)槊簩又械耐咚怪饕怯晌酵咚箻?gòu)成。當(dāng)瓦斯壓力較高時(shí)，煤層吸附瓦斯的解吸速率十分緩慢；當(dāng)瓦斯壓力下降至1.0MPa以下時(shí)，隨著瓦斯壓力的下降，瓦斯的解吸速率隨之增加，瓦斯含量迅速減少[7]。隨著鉆孔預(yù)抽瓦斯的進(jìn)行，煤體發(fā)生收縮變形，在地應(yīng)力的作用下，抽采鉆孔周圍煤層應(yīng)力重新分布，在鉆孔周圍形成卸壓區(qū)。同時(shí)，在抽采負(fù)壓的作用下，煤層中大量的瓦斯被抽出，導(dǎo)致煤層瓦斯壓力降低，從而引起煤層透氣性的增加。在采用底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯消突技術(shù)中，通過預(yù)抽煤體中的瓦斯，使瓦斯壓力和煤體瓦斯含量大大降低，有效釋放煤體中的瓦斯?jié)撃?，同時(shí)增強(qiáng)煤體自身的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性，達(dá)到防止煤與瓦斯突出的目的[8-10]。

3穿層鉆孔區(qū)域防突技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1抽采半徑考察

圖1　鉆孔平面示意

現(xiàn)場(chǎng)抽采半徑測(cè)定鉆孔布置平面如圖1所示。鉆孔實(shí)施完成后進(jìn)行40d抽采，抽采過程中1號(hào)～6號(hào)各鉆孔瓦斯壓力變化如圖2所示。

圖2　8煤抽采半徑測(cè)定鉆孔瓦斯壓力變化曲線

由圖2可知：抽采1個(gè)月后，2號(hào)孔瓦斯壓力由0.5MPa降為0.35MPa，下降幅度達(dá)到30%；3號(hào)孔瓦斯壓力由0.99MPa降為0.67MPa，下降幅度達(dá)到32.3%；4號(hào)孔瓦斯壓力由0.86MPa降為 0.41MPa，下降幅度達(dá)到52.3%；5號(hào)孔瓦斯壓力由1.05MPa降為0.83MPa，下降幅度達(dá)到21%；1號(hào)孔瓦斯壓力由0.38MPa降為0.34MPa，下降幅度達(dá)到10.5%；6號(hào)孔瓦斯壓力由1.1MPa降為1.06MPa，下降幅度為3.6%。在抽采負(fù)壓為21kPa，抽采時(shí)間為一個(gè)月情況下，測(cè)得8煤煤層抽采影響半徑為4.0m

3.2鉆孔優(yōu)化布置

有效抽采半徑影響范圍實(shí)際上可視為一個(gè)理想的圓形覆蓋區(qū)，則預(yù)抽鉆孔的優(yōu)化布置可看成是圓形的排列問題，在排列中這些圓并不是相互獨(dú)立的，而是相互影響的。

圖3　鉆孔布置分析示意

圖4　矩形鉆孔布置示意

若鉆孔布置方式按三角形排列，如圖5所示。

圖5　鉆孔優(yōu)化布置分析示意

3個(gè)圓的面積分別為SA，SB，SC，3個(gè)圓公共面積為SABC，兩個(gè)圓的公共面積分別為SAB，SAC，SBC，所以總共面積S=SA+SB+SC-SAC-SAB-SBC-SABC。若使S的數(shù)值最大，則必須保證SABC的面積最小，即為0。

如圖6所示，為計(jì)算鉆孔間距，設(shè)3個(gè)圓相交后的圓心角分別為α，β，γ，實(shí)測(cè)有效抽采半徑則為三圓孔的半徑，則：

圖6　鉆孔間距計(jì)算示意

S=3πR2-[(αR2-sinαR2)+(βR2-sinβR2)+(γR2-sinγR2)]

(1)

α+β+γ=π

(2)

由公式(1)，(2)可推導(dǎo)出：

S=2πR2+R2(sinα+sinβ+sinγ)

(3)

式中，B為巷道寬度，m；R為有效抽采半徑，m。

巷道延伸方向鉆孔的布置，間距應(yīng)均勻，控制區(qū)域的有效控制范圍應(yīng)相接或稍有重疊，不留“孤島”，鉆孔布置數(shù)量可按下式計(jì)算：

(4)

式中，L為沿巷道延伸方向底板巷鉆場(chǎng)的間距，m；R為有效抽采半徑，m。

圖7　預(yù)抽鉆孔布置局部示意

圖8　預(yù)抽鉆孔剖面示意

4效果考察

4.1殘余瓦斯壓力測(cè)定

為準(zhǔn)確測(cè)定8煤殘余瓦斯壓力，有效考察穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯消突的效果，本次試驗(yàn)實(shí)施兩組考察孔，用于穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)效果的考察，該處鉆孔預(yù)抽時(shí)間為1個(gè)月，殘余瓦斯壓力變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9　8煤殘余瓦斯壓力觀測(cè)曲線

分析圖9可知，1號(hào)考察孔殘余瓦斯壓力由0上升到0.23MPa后，瓦斯壓力保持穩(wěn)定不變；2號(hào)考察孔殘余瓦斯壓力由0上升到0.42MPa后，瓦斯壓力保持穩(wěn)定不變。當(dāng)連續(xù)觀測(cè)瓦斯壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某一定值，或觀測(cè)值連續(xù)3d在某一值上下0.015MPa內(nèi)波動(dòng)，則所得瓦斯壓力最大穩(wěn)定值即為該地點(diǎn)煤層瓦斯壓力。因此，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和分析可知，8煤實(shí)施穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)1個(gè)月后，測(cè)得煤層殘余瓦斯壓力最大值為0.42MPa。

4.2殘余瓦斯含量測(cè)定

利用8煤層1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)鉆孔分別進(jìn)行取樣測(cè)定煤層瓦斯殘余含量，測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1　8煤殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

分析表1可知，8煤實(shí)施區(qū)域穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯技術(shù)預(yù)抽煤層瓦斯1個(gè)月后，測(cè)得8煤殘余瓦斯含量分別為2.27m3/t，2.80m3/t，2.42m3/t，2.69m3/t，即殘余瓦斯含量介于2.27～2.80m3/t之間。

4.3抽采純量測(cè)定

穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯后，對(duì)抽采管路監(jiān)測(cè)到的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行讀數(shù)、記錄，瓦斯抽采觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10　14218底抽巷抽采純量趨勢(shì)

由圖10可知，在抽采初期，瓦斯抽采純量為1m3/min左右，隨著抽采的進(jìn)行，抽采純量呈波動(dòng)性快速上升趨勢(shì)，最大時(shí)達(dá)到2.58m3/min左右。經(jīng)過一段時(shí)間抽采，煤層殘余瓦斯含量大大減少，說明在實(shí)施穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽瓦斯技術(shù)后，煤層透氣性增強(qiáng)，大大提高了穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯的抽采效率，達(dá)到了快速消突的目的。

4.4穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯消突評(píng)價(jià)

在張集礦14218底抽巷采用穿層鉆孔預(yù)抽8煤層瓦斯消突技術(shù)預(yù)抽1個(gè)月后，煤層殘余瓦斯壓力為0.42MPa，殘余瓦斯含量2.8m3/t，與8煤層原始瓦斯壓力1.04MPa，原始瓦斯含量4.532m3/t相比，分別下降了59.6%和38.2%，并均小于突出臨界值0.74MPa和8m3/t。據(jù)此可判斷區(qū)域消突措施效果檢驗(yàn)合格，預(yù)抽達(dá)標(biāo)。

在抽采1個(gè)月后，鉆場(chǎng)累計(jì)抽采瓦斯6.4×104m3，抽采率達(dá)38.22%，平均抽采濃度為28.34%，平均抽采純量為1.74m3/min，抽采效果明顯提升。

5結(jié)論

(1)通過對(duì)預(yù)抽鉆孔優(yōu)化布置，形成鉆孔抽放網(wǎng)絡(luò)，提高鉆孔利用效率，消除了鉆孔預(yù)抽空白區(qū)域，提高了穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯效果。

(2)底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯消突技術(shù)使鉆孔周圍煤層地應(yīng)力降低，有效減小煤層瓦斯含量、瓦斯壓力，改善煤層透氣性，降低了瓦斯突出動(dòng)力，達(dá)到區(qū)域消突的目的。

(3)底板穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯消突技術(shù)具有廣泛的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面安全快速掘進(jìn)。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

[作者簡(jiǎn)介]倪廉欽(1991-)，男，安徽利辛人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V井瓦斯災(zāi)害防治理論與技術(shù)。

[基金項(xiàng)目]安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目(07010301021)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.029

[收稿日期]2015-07-01

[中圖分類號(hào)]TD713.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0108-04