煤礦上保護(hù)層下向穿層鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究

胡俊峰，姚明柱，蔡敏博

(陜西陜煤集團(tuán)韓城礦業(yè)公司，陜西 韓城 715400)

0 引言

近年來(lái)，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量、地應(yīng)力加大，原來(lái)的淺部開采的低瓦斯、高瓦斯礦井部分變?yōu)榱送怀龅V井，威脅煤礦安全生產(chǎn)。煤與瓦斯突出是煤礦井下一種復(fù)雜動(dòng)力現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)表明，以開采保護(hù)層結(jié)合被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采的煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采是最有效且經(jīng)濟(jì)可行的措施[1-2]。

下峪口煤礦上保護(hù)層開采瓦斯抽采技術(shù)研究，對(duì)下峪口煤礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障和支撐，研究成果對(duì)相似突出礦井的突出防治工作具有指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)概況

下峪口煤礦位于韓城礦區(qū)的東北端，北與桑樹坪井田相鄰，東以11#煤層露頭線構(gòu)成自然邊界，南至燎原井田下部，西部以3#煤層底板等高線+140 m垂切。走向長(zhǎng)6 km，傾斜5 km，面積27.596 3 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.50 Mt/a。井田主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組，上石炭統(tǒng)太原組自上而下5#、6#、7#、8#、9#、11#、12#煤層，其中11#煤層為該組主要可采煤層，平均厚2.80 m，其余煤層皆屬不可采的薄煤層。下二疊統(tǒng)山西組自上而下為：1#上、1#、2#上、2#、3#、3#下；3#煤層為主采煤層，3#下為小范圍可采煤層，2#為局部不可采煤層，其它煤層均不可采。

礦井系高瓦斯、突出礦井。礦井通風(fēng)方式：一水平為邊界式，二水平為中央并列式，實(shí)現(xiàn)分區(qū)式獨(dú)立通風(fēng)，礦井總排風(fēng)量21 452 m3/min。截至2011年底，共計(jì)發(fā)生有記載的煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象22次，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。2#、3#煤層均屬不易自燃煤層。2#、3#煤層均有煤塵爆炸性。2#煤層與3#煤層間距7.6～13.2 m。

4216工作面位于二水平一采區(qū)北中部上山翼，運(yùn)輸順槽緊靠北二下延軌道下山。工作面長(zhǎng)623.7 m，切眼寬169 m，可采長(zhǎng)度503.9 m。工作面煤層底板標(biāo)高+355～+411.4 m，距地表垂深497～538 m。4216工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，綜合機(jī)械化后退式仰斜采煤，全部垮落法管理頂板，工作面通風(fēng)系統(tǒng)為Y型通風(fēng)。

被保護(hù)21326工作面位于4216工作面的下部呈內(nèi)錯(cuò)布置。工作面長(zhǎng)623.7 m，切眼寬143 m，煤厚4.6～9.0 m，平均煤厚6.2 m。21326工作面3#煤層為黑色，呈碎塊狀、沫狀，光亮度一般，煤層厚度4.6～9.0 m，一般5.0～6.5 m，煤層穩(wěn)定。煤層傾角2°～7°，平均5°，煤層中不含夾矸，煤體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 上保護(hù)層2#煤層采掘面瓦斯抽采方案

2#煤層具有突出與沖擊地壓雙重危險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型動(dòng)力現(xiàn)象。根據(jù)2#煤層采掘面瓦斯涌出預(yù)計(jì)，掘進(jìn)工作面采取卸壓抽排為主的超前鉆孔措施；對(duì)于采煤工作面，瓦斯涌出量為20.82 m3/min，采取綜合抽采措施，其中采煤工作面本層瓦斯涌出量在5.90 m3/min左右，采煤工作面采取在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷布置沿傾斜方向順層鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽、邊采邊抽，預(yù)抽鉆孔覆蓋整個(gè)工作面，鉆孔間距為3～5 m(預(yù)抽時(shí)間越短，間距越小，反之，則大)，鉆孔封孔長(zhǎng)度不小于8 m，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 4216工作面順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯鉆孔布置圖

2#煤層為極薄～薄煤層，其開采過(guò)程中本煤層瓦斯涌出量相對(duì)較小，但3#煤層卸壓后，卸壓瓦斯大量涌入2#煤層回采空間，導(dǎo)致2#煤層回采期間工作面瓦斯涌出量大。為加強(qiáng)卸壓抽采增強(qiáng)保護(hù)層開采效果、降低保護(hù)層工作面瓦斯涌出，采用下向穿層鉆孔、沿空留巷充填體埋管、高位鉆孔綜合抽采卸壓瓦斯。緩傾斜煤層上保護(hù)層開采后，在采空區(qū)下伏巖層形成凹?xì)ば涡秹嚎臻g，被保護(hù)煤層沿工作面布置方向中央向兩側(cè)卸壓逐漸減弱。中部卸壓區(qū)鉆孔孔底間距相對(duì)較大，兩側(cè)未充分卸壓區(qū)鉆孔間距逐漸減小[3-7]，如圖2所示。

a-首采面；b-下區(qū)段采面圖2 保護(hù)區(qū)穿層鉆孔布置剖面圖

回采過(guò)程中在回風(fēng)巷采用高位鉆孔與沿空留巷充填體埋管相結(jié)合的方法抽采采空區(qū)瓦斯，預(yù)防采煤工作面瓦斯超限，高位鉆孔由4216進(jìn)順距切眼15 m處開始施工，組間距15 m，4216工作面高位鉆孔布置如圖3所示；沿充填體頂部每3 m埋設(shè)一條φ200 mm無(wú)縫鋼管抽采采空區(qū)瓦斯，如圖4所示。

圖3 高位鉆孔布置示意圖

圖4 沿空留巷埋管抽采瓦斯布置示意圖

3 下伏被保護(hù)層瓦斯抽采方案

工作面開切眼、停采線附近未保護(hù)區(qū)域采用密集穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。由于3#煤層采用放頂煤開采，保護(hù)層結(jié)合卸壓瓦斯抽采后，其殘余瓦斯含量仍相對(duì)較大，為杜絕回采期間瓦斯超限，3#煤層兩順槽掘進(jìn)過(guò)程中，在兩順槽施工順層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯及邊采邊抽，鉆孔布置方式與2#煤層回采區(qū)域大體相同[8-12]。

在回采工作面采空區(qū)埋設(shè)抽采管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行埋管抽采，采空區(qū)埋管為每隔20 m向墻內(nèi)留設(shè)一根長(zhǎng)為200 mm的鋼管，當(dāng)隅角瓦斯?jié)舛?1%時(shí)，埋管封閉；當(dāng)隅角瓦斯?jié)舛取?%，將埋管并入抽采管路進(jìn)行抽采。

隨著工作面的推進(jìn)，埋管口被保留在采空區(qū)，通過(guò)抽采系統(tǒng)抽采采空區(qū)的瓦斯。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至下一個(gè)埋管口三通處，打開下一個(gè)循環(huán)的埋管口閥門，直至工作面回采完畢，封閉回采巷道，繼續(xù)抽采采空區(qū)瓦斯至回采結(jié)束，從而達(dá)到利用埋管抽采采空區(qū)瓦斯的作用。

4 上保護(hù)層開采過(guò)程瓦斯抽采效果考察

4.1 上保護(hù)層進(jìn)風(fēng)巷下向鉆孔抽采卸壓瓦斯效果

通過(guò)對(duì)2#煤層保護(hù)層4216回采工作面進(jìn)風(fēng)順槽設(shè)計(jì)施工下向鉆孔抽采3#煤層被保護(hù)層卸壓瓦斯，距采面切眼5 m開始布置第一組，每組5個(gè)鉆孔，開孔間距1 m，3#煤層底板終孔間距30 m，設(shè)計(jì)施工鉆孔36組，每組間距15 m，共180個(gè)鉆孔。通過(guò)考察4216工作面進(jìn)風(fēng)巷下向穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采隨工作面推進(jìn)的情況，確定被保護(hù)3#煤層鉆孔瓦斯抽采量與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系，如圖5所示，鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系如圖6所示，通過(guò)在4216專用底板巷走向段施工測(cè)試鉆孔，考察煤層膨脹變形量如圖7所示。

圖5 4216工作面下向鉆孔抽采瓦斯?jié)舛取⒊椴闪髁孔兓€

圖6 第12組鉆孔卸壓瓦斯抽采效果與保護(hù)層工作面動(dòng)態(tài)時(shí)空關(guān)系曲線

圖7 4216工作面下向鉆孔煤層膨脹變形量變化曲線

根據(jù)工作面與鉆孔位置關(guān)系分析，在保護(hù)層工作面采過(guò)后，在距工作面迎頭23 m范圍內(nèi)，卸壓瓦斯抽采濃度2%～16%，流量為0.13～0.21 m3/min；在滯后工作面24～42 m范圍內(nèi)，受采動(dòng)影響，下伏3#煤層裂隙發(fā)育擴(kuò)展，煤層透氣性顯著提高，抽采濃度和抽采流量明顯增加，為之前的1.9～25倍，卸壓瓦斯抽采濃度30%～50%，抽采流量0.85～1.13 m3/min。

從卸壓瓦斯抽采效果可得，在2#煤回采之后，采空區(qū)后方24～42 m范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的下伏3#煤抽采瓦斯?jié)舛群图兞髁繛樽罴褏^(qū)域，說(shuō)明滯后工作面24～42 m為卸壓瓦斯最活躍區(qū)域，與數(shù)值模擬分析的在工作面后方20～30 m范圍為活躍區(qū)基本相符。

由圖6、圖7可知，卸壓瓦斯抽采一定時(shí)間后，瓦斯抽采濃度會(huì)出現(xiàn)一定的衰減，且3#煤層膨脹變形量隨著工作面的推進(jìn)逐漸增大并穩(wěn)定在100 mm，保護(hù)層4216工作面回采期間底板穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采量、濃度總體較小，抽采瓦斯?jié)舛?.8%～16.5%。

4.2 保護(hù)層進(jìn)風(fēng)巷下向鉆孔抽采卸壓瓦斯技術(shù)

礦井試驗(yàn)區(qū)2#煤層與被保護(hù)3#煤層間距較小，保護(hù)層工作面開采過(guò)程中瓦斯涌出量大，應(yīng)對(duì)3#煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽采，防治工作面瓦斯超限。在開采2#煤層時(shí)，被保護(hù)層3#煤層卸壓后透氣性增加，卸壓瓦斯抽采利于擴(kuò)大保護(hù)作用。卸壓瓦斯抽采的關(guān)鍵在于下向鉆孔施工及封孔。

本次采用風(fēng)力排渣方式進(jìn)行穿層長(zhǎng)鉆孔施工試驗(yàn)，鑒于試驗(yàn)地點(diǎn)鉆孔施工的實(shí)際條件，底板卸壓鉆孔采用ZDY-3200S型鉆機(jī)，φ113 mm鉆頭配合φ73 mm鉆桿施工10 m，使用φ108 mm鋼管護(hù)孔，并灌注水泥砂漿將鋼管凝固在鉆孔中，再采用φ94 mm鉆頭配合φ73 mm鉆桿在鋼管中再次施工，鉆孔施工深度穿過(guò)3#煤層且進(jìn)入3#煤層底板0.5 m。鉆孔封孔采取水泥砂漿材料，封孔深度為10 m。鉆孔全程下φ75mmPVC護(hù)孔管，孔口附近2 m采用φ80 mm鋼管護(hù)孔。下向穿層鉆孔抽采濃度監(jiān)測(cè)曲線如圖8所示，3#煤層卸壓活躍區(qū)域卸壓瓦斯抽采初期抽采濃度一般30%～50%，抽采持續(xù)時(shí)間一般10～20 d；受沿空留巷巷道底臌影響，護(hù)孔鋼管破裂，同時(shí)封孔段水泥產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致鉆孔與巷道圍巖裂隙導(dǎo)通，如圖9所示，卸壓瓦斯抽采濃度急劇下降，影響卸壓瓦斯抽采效果。

圖8 鉆孔抽采濃度監(jiān)測(cè)曲線

圖9 鉆孔與巷道圍巖裂隙導(dǎo)通示意圖

針對(duì)施工上保護(hù)層進(jìn)風(fēng)巷施工下向孔及抽采實(shí)踐過(guò)程存在的問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)鉆孔成孔工藝與封孔工藝，具體工藝如下：采用φ94 mm鉆頭配合φ73 mm鉆桿進(jìn)行施工，鉆孔穿過(guò)3#煤層且進(jìn)入3#煤層底板0.5 m，鉆孔全程下φ55mmPVC護(hù)孔管，孔口附近2 m采用φ75 mm鋼管護(hù)孔。下向孔封孔深度根據(jù)巖孔段長(zhǎng)度確定，即封孔長(zhǎng)度為巖孔長(zhǎng)度。

上保護(hù)層4216工作面回采期間采煤工作面瓦斯?jié)舛?.15%～0.43%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.14%～0.65%，瓦斯?jié)舛热鐖D10所示。由圖可見，成孔工藝顯著地提高了保護(hù)層采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷下向鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯效果，杜絕了瓦斯超限事故。

圖10 4216工作面回采期間瓦斯?jié)舛?/p>

5 結(jié)論

(1)2#煤層具有突出與沖擊地壓雙重危險(xiǎn)，主要表現(xiàn)為應(yīng)力主導(dǎo)型動(dòng)力現(xiàn)象，為加強(qiáng)卸壓抽采增強(qiáng)保護(hù)層開采效果，降低保護(hù)層工作面瓦斯涌出，采用下向穿層鉆孔、沿空留巷充填體埋管、高位鉆孔綜合抽采卸壓瓦斯。

(2)通過(guò)改進(jìn)的鉆孔成孔工藝與封孔工藝顯著地提高了保護(hù)層采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷下向鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯效果，杜絕了瓦斯超限事故。

(3)下峪口煤礦上保護(hù)層開采瓦斯抽采技術(shù)研究，對(duì)下峪口煤礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障和支撐，研究成果對(duì)相似突出礦井的突出防治工作具有指導(dǎo)意義。