地面井下聯(lián)合抽采的防突措施研究

王亞敏

（山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

1 防突區(qū)段劃分

雙柳煤礦2013年瓦斯等級(jí)鑒定，相對(duì)瓦斯涌出量為15.17m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為82.01m3/min，為高瓦斯礦井。根據(jù)3+4煤層突出危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，礦井3+4煤層在標(biāo)高+430 m以淺無(wú)突出危險(xiǎn)性，標(biāo)高+430 m以深為突出危險(xiǎn)區(qū)。無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)劃分為塊段一；33（4）12、33（4）13、33（4）14、33（4）15、33（4）16工作面劃分為塊段二；將深部未開(kāi)展采掘活動(dòng)的工作面劃分為塊段三。煤層開(kāi)采塊段劃分示意圖如圖1所示。

圖1 3+4煤層開(kāi)采塊段劃分示意圖

塊段三位于33（4）16、33（4）15抽采巷以深區(qū)域至井田邊界保護(hù)線，所有工作面巷道掘進(jìn)及回采等開(kāi)拓開(kāi)采防突工作必須嚴(yán)格按照兩級(jí)“四位一體”要求進(jìn)行，需施工底抽巷穿層鉆孔掩護(hù)煤巷掘進(jìn)，然后配合順層鉆孔掩護(hù)工作面的回采作業(yè)。塊段三位于井田深部，屬于突出危險(xiǎn)區(qū)，隨著煤層埋深增加，瓦斯壓力、含量均增大，防突工作也更加艱巨。

2 地面鉆井瓦斯抽采

為了降低雙柳煤礦井田深部區(qū)域瓦斯含量，提高瓦斯利用率，煤礦與晉煤藍(lán)焰煤層氣公司合作，開(kāi)展雙柳煤礦深部煤層地面鉆井瓦斯抽采，設(shè)計(jì)地面鉆井75口。

2.1 技術(shù)原理

為縮短深部區(qū)域瓦斯抽采時(shí)間同時(shí)更好地利用瓦斯能源，在深部區(qū)域施工地面鉆井進(jìn)行瓦斯抽采。采用煤層壓裂技術(shù)，對(duì)3+4煤層進(jìn)行地面壓裂鉆井預(yù)抽采煤層瓦斯。壓裂施工過(guò)程一般分為打前置液、加支撐劑、打替置液等幾個(gè)階段。

打前置液：壓裂施工開(kāi)始時(shí)，先向煤層壓入具有一定排量的不攜砂壓裂液。水平裂縫，前置液體積在25%以內(nèi)；對(duì)于單一、二維垂直裂縫，前置液體積為25%；對(duì)于單一煤層里的裂縫和復(fù)雜裂縫，需要的前置液體積為40%～60%。

加支撐劑：根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的裂縫面積范圍及加砂量向壓裂液內(nèi)加砂，以便通過(guò)壓裂液把砂帶入到煤層裂縫內(nèi)起到支撐裂縫的作用。必須嚴(yán)格控制砂水比，砂水比的大小與壓裂液的壓入速度及壓裂液的性質(zhì)有關(guān)。

打替置液：按預(yù)計(jì)的加砂量加完砂后，仍需繼續(xù)向鉆井壓入10m3以上的不攜砂壓裂液。

2.2 雙柳煤礦地面鉆井施工、抽采情況

地面鉆井布置在井田深部，在井田范圍內(nèi)共設(shè)計(jì)75口地面鉆井，目前施工25口，有9口地面井正在抽采。預(yù)抽煤層瓦斯時(shí)地面鉆井抽采應(yīng)作為首選措施，地面鉆井將區(qū)域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后，再采取井下抽采措施。地面鉆井的布置與瓦斯抽采必須與井下抽采工程及井下抽采相統(tǒng)一。

3 三采大巷延伸段“四位一體”綜合防突措施

3.1 三采大巷延伸段巷道布置情況

雙柳礦新升級(jí)為突出礦井，三采區(qū)延伸段現(xiàn)階段調(diào)整為三條大巷延伸，根據(jù)規(guī)定突出礦井大巷應(yīng)全部在巖層中，但下山巷道若全部為巖巷則工程量巨大，考慮到3+4煤層賦存穩(wěn)定，鉆孔容易抽采，因此將其中的膠帶巷布置在3+4煤層下方10～15 m的巖層中，在3+4煤層中布置回風(fēng)巷和軌道巷。因大巷延伸段處于突出危險(xiǎn)區(qū)域，因此大巷延伸總體施工方案為膠帶巷采用底板巷先行，然后從底板巷向上施工穿層鉆孔掩護(hù)回風(fēng)巷，下山大巷布置剖面圖如圖2所示。

圖2 三采延伸段巷道布置剖面圖

3.2 膠帶巷防突措施

三采膠帶巷布置在3+4煤層底板10～15 m巖石中，巖層賦存穩(wěn)定，無(wú)構(gòu)造區(qū)域能夠保證底抽巷的施工安全。但在地質(zhì)構(gòu)造帶，若遇到-3m～5m的小斷層，層間距縮小，瓦斯異常涌出，可能會(huì)給膠帶巷的施工帶來(lái)安全隱患，因此在三采膠帶巷掘進(jìn)過(guò)程中必須堅(jiān)持“邊探邊掘”，嚴(yán)格控制煤層層位，探明地質(zhì)構(gòu)造情況，確保足夠?qū)娱g距。

3.3 三采回風(fēng)巷區(qū)域“四位一體”綜合防突措施

3.3.1 區(qū)域防突措施

利用下部的膠帶巷施工上向穿層鉆孔抽采三采回風(fēng)巷煤層條帶瓦斯，力爭(zhēng)最短時(shí)間消除突出危險(xiǎn)性。從該巷道中向正上方的三采回風(fēng)巷煤層條帶施工穿層鉆孔，抽采瓦斯，消除三采回風(fēng)巷的突出危險(xiǎn)性。膠帶巷穿層鉆孔條帶預(yù)抽需要控制三采軌道巷欲掘位置及其兩側(cè)15m范圍的煤體。穿層鉆孔直徑不小于73mm，一排布置7個(gè)鉆孔；7個(gè)鉆孔在煤層中厚線處排間距為5m，鉆孔間距為5m。鉆孔穿透煤層，進(jìn)入煤層頂板0.5m?？筛鶕?jù)抽采效果后期在兩組鉆孔之間另補(bǔ)充鉆孔。鉆孔在巷道的鉆場(chǎng)內(nèi)均勻布置，鉆孔施工完成后在煤層上應(yīng)呈規(guī)則的長(zhǎng)方形網(wǎng)格狀布置，抽采時(shí)間不小于6個(gè)月。

3.3.2 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)和驗(yàn)證

防突措施檢驗(yàn)的主要指標(biāo)為實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯壓力。根據(jù)實(shí)測(cè)最大值檢驗(yàn)時(shí)所依據(jù)的臨界值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)考察確定，在缺少臨界值前可按照瓦斯壓力0.74 MPa選取。在煤巷條帶每間隔50 m布置1個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。存在任意檢測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)定值達(dá)到有突出危險(xiǎn)的臨界值時(shí)，判定局部措施無(wú)效。區(qū)域驗(yàn)證采用鉆屑指標(biāo)法，測(cè)定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1和鉆屑量S。

3.4 三采軌道巷區(qū)域“四位一體”綜合防突措施

3.4.1 區(qū)域防突措施

待三采回風(fēng)巷條帶消除危險(xiǎn)性后，便可進(jìn)行巷道的掘進(jìn)工作。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，可從該巷道中向三采軌道巷方向施工順層鉆孔，采用走向順層鉆孔的方法來(lái)抽采軌道巷條帶煤層瓦斯，消除該條帶煤層突出危險(xiǎn)性，為軌道巷的安全掘進(jìn)創(chuàng)造條件。軌道巷與回風(fēng)巷間距約70m，加上巷幫15m寬的抽采條帶，則順層鉆孔施工長(zhǎng)85m，鉆孔直徑不小于73mm，鉆孔間距5～6 m，抽采時(shí)間不小于6個(gè)月，鉆孔布置如圖3所示。

3.4.2 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)和區(qū)域驗(yàn)證

區(qū)域防突措施檢驗(yàn)主要指標(biāo)為實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯壓力。根據(jù)實(shí)測(cè)最大值檢驗(yàn)時(shí)所依據(jù)的臨界值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)考察，檢驗(yàn)方法和區(qū)域驗(yàn)證都與三采回風(fēng)巷區(qū)域的檢驗(yàn)方法和區(qū)域驗(yàn)證一致。

圖3 走向順層鉆孔布置示意圖

4 首條工作面煤層巷道區(qū)域“四位一體”綜合防突措施

4.1 區(qū)域防突措施

4.1.1 底抽巷道布置

雙柳煤礦3+4煤層深部最大實(shí)測(cè)壓力達(dá)2.4 MPa（標(biāo)高+385.1 m）?？紤]到使用千米鉆機(jī)可施工長(zhǎng)度超過(guò)500 m抽采鉆孔，因此在突出危險(xiǎn)區(qū)決定采用底抽巷穿層鉆孔來(lái)掩護(hù)突出危險(xiǎn)區(qū)煤巷的掘進(jìn)。底抽巷布置及工作面服務(wù)關(guān)系如表1所示。

表1 深部區(qū)域底抽巷布置與服務(wù)工作面關(guān)系表

4.1.2 穿層鉆孔布置及抽采

由于千米鉆機(jī)上向鉆孔長(zhǎng)度在550～600 m，根據(jù)這一情況，為降低施工難度，對(duì)于每個(gè)底抽巷服務(wù)的三個(gè)工作面，深部的工作面巷道通過(guò)在底抽巷施工穿層鉆孔來(lái)掩護(hù)巷道掘進(jìn)，而其他工作面巷道可在最上工作面巷道和最下工作面巷道施工順層長(zhǎng)鉆孔來(lái)掩護(hù)巷道掘進(jìn)。如33（4）21底抽巷，33（4）21工作面運(yùn)巷掘進(jìn)通過(guò)施工穿層鉆孔掩護(hù)，然后在33（4）15抽采巷向下打順層鉆孔，在33（4）21運(yùn)巷利用千米鉆機(jī)向上打順層長(zhǎng)鉆孔，保證鉆孔壓茬不低于30 m。

將鉆孔均勻布置在巷道的鉆場(chǎng)內(nèi)，或者直接布置在巷道頂板或側(cè)幫上。煤層中厚線處排距5 m，傾向上每排施工7個(gè)鉆孔，鉆孔開(kāi)口處間距0.5 m，至煤層中厚線處孔間距5 m；鉆孔直徑不小于75 mm，鉆孔間距以3+4煤層中厚線兩個(gè)鉆孔在煤層中長(zhǎng)度的中點(diǎn)距離為準(zhǔn)；鉆孔由下向上施工，穿透煤層進(jìn)入煤層頂板0.5 m，保證無(wú)防突空白區(qū)域，如抽采效果不達(dá)標(biāo)，后期可在兩組鉆孔之間另補(bǔ)充鉆孔。

穿層鉆孔可用水泥砂漿封孔，封孔長(zhǎng)度在5 m以上，抽采負(fù)壓在13 kPa以上，抽采時(shí)間不小于6個(gè)月。待煤巷條帶經(jīng)效果檢驗(yàn)和區(qū)域驗(yàn)證消除突出危險(xiǎn)后便可施工3+4煤層的煤層巷道。

4.2 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

區(qū)域防突措施檢驗(yàn)的主要指標(biāo)為實(shí)測(cè)的最大殘余瓦斯壓力。根據(jù)實(shí)測(cè)最大值檢驗(yàn)時(shí)所依據(jù)的臨界值應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)考察確定，在缺少臨界值前可按照瓦斯壓力0.74 MPa選取。根據(jù)檢測(cè)數(shù)值來(lái)進(jìn)行局部措施有效性判定。檢驗(yàn)方法和區(qū)域驗(yàn)證與前文相同。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)雙柳煤礦3+4煤層突出危險(xiǎn)區(qū)塊段三區(qū)域的“四位一體”綜合防突措施進(jìn)行了分析研究，采取地面井下聯(lián)合抽采防突措施治理瓦斯，效果明顯，且能降低抽采成本和瓦斯治理費(fèi)用，是中小煤礦突出危險(xiǎn)區(qū)防突措施的有效治理方法。