穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯區(qū)域消突效果分析

潘鳳龍

0 引言

隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的增大，煤層瓦斯含量和地應(yīng)力不斷增強(qiáng)，使得煤層透氣性降低，突出危險性嚴(yán)重，危險礦井安全生產(chǎn)[1]。根據(jù)多年的現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用證明，區(qū)域防突技術(shù)能夠更有效安全的消突治理瓦斯災(zāi)害[2]，目前，區(qū)域性防突技術(shù)措施主要有開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯[3]，而單一突出煤層在煤巷掘進(jìn)時，利用巖石底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯技術(shù)提高煤層透氣性及瓦斯抽采率進(jìn)行區(qū)域防突顯得極其重要。穿層鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)煤層瓦斯抽采有效半徑的測定，目前測定的方法主要有壓力法與流量法，而這些方法測定時間較長且操作復(fù)雜。因此，本文通過利用預(yù)測指標(biāo)法測定瓦斯抽采有效半徑設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)，并采用殘余瓦斯含量、壓力，瓦斯抽采率，預(yù)測指標(biāo)值等指標(biāo)對比分析底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯技術(shù)效果，對今后單一低透氣性煤層瓦斯預(yù)抽技術(shù)的改進(jìn)及煤巷的安全掘進(jìn)具有重要意義。

1 穿層鉆孔卸壓增透機(jī)理

底板巷穿層鉆孔條帶預(yù)抽煤巷瓦斯是通過向上覆煤層巷道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)打大量的密集鉆孔，使得煤層形成若干個孔洞，鉆孔周圍煤體應(yīng)力重新分布，由于相鄰鉆孔應(yīng)力的疊加，應(yīng)力集中作用使得煤體破碎，應(yīng)力集中向孔群范圍外的煤體轉(zhuǎn)移，孔群范圍內(nèi)煤體產(chǎn)生裂隙，由于裂隙不斷發(fā)展，裂隙張開，彼此連通，煤體透氣性增大，煤體得到區(qū)域卸壓；同時不斷抽采瓦斯，瓦斯?jié)撃艿靡葬尫?，然后再?jīng)過較長時間的預(yù)抽煤層瓦斯，使瓦斯壓力與瓦斯含量進(jìn)一步降低，并使得煤層的收縮變形、地應(yīng)力下降、煤層透氣性系數(shù)進(jìn)一步增高、地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度減小和煤的堅(jiān)固性系數(shù)增加等引起煤層物理參數(shù)變化，從而達(dá)到消除在煤巷掘進(jìn)過程中的突出危險性[4]。

2 試驗(yàn)礦021710工作面概況

某礦021710工作面井下標(biāo)高為-440 m～-480 m，地面井口標(biāo)高為260 m；該工作面所采2#煤層，上部煤層不可采，屬于單一煤層開采，工作面走向長度為225m，傾斜長度103 m，煤層平均厚度為4.5 m，煤層傾角平均為26°；煤層瓦斯含量為8.6 m3/t；瓦斯壓力為0.85 MPa，煤的破壞類型為III類，瓦斯放散初速度為13.4，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.15，煤層透氣性系數(shù)為0.396 m2/MPa2.d～0.495 m2/MPa2.d，屬低透氣性煤層；直接頂為砂質(zhì)頁巖，老頂為中粒砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為中粒砂巖；由于該礦不斷向深部開采，煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象明顯，被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。

3 底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 巖石底板巷及鉆場參數(shù)設(shè)計(jì)

巖石底板巷上、下抽放巷與掘進(jìn)的煤巷水平內(nèi)錯30 m，施工長度分別為227 m、206 m；切眼抽放巷施工120 m，與工作面切眼水平內(nèi)錯12m。設(shè)計(jì)層位為大煤底板以下15 m，巖性為細(xì)-中粒砂巖，底板巖石抽放巷每隔24 m施工一個抽放鉆場，鉆場規(guī)格5 m×5 m×2.5 m，抽放巷斷面為3.8 m×2.7 m，采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，頂板破碎或過斷層、陷落柱等特殊地段時加打錨索或U型鋼支護(hù)。

3.2 煤層瓦斯抽采有放半徑測定

根據(jù)有效抽放半徑選點(diǎn)要求，測試點(diǎn)應(yīng)在未受抽放和卸壓影響且避開斷層又方便打鉆，同時該點(diǎn)應(yīng)布置有抽放系統(tǒng)區(qū)域。根據(jù)該礦021710工作面實(shí)際情況，選擇021710工作面溜子道揭煤處打設(shè)的抽放鉆孔，在經(jīng)抽放一段時間后，根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺度及抽放前后鉆屑解析指標(biāo)值分析確定抽放半徑的大小。抽放鉆孔終孔間距布置示意圖見圖1所示，抽放鉆孔參數(shù)見表1所示。

圖1 抽放鉆孔終孔間距布置示意圖

表1 抽放鉆孔參數(shù)表

表1中1#鉆孔開孔位置距上幫0.9 m，2#鉆孔開孔位置距上幫1.9 m，3#鉆孔開孔位置距下幫0.9 m；其中1#、2#、3#鉆孔為抽放鉆孔，4#、5#鉆孔為預(yù)測鉆孔，預(yù)測鉆孔長度為10 m。

021710工作面溜子道揭煤處經(jīng)抽放鉆孔抽放1個月后，在抽放鉆孔中間打預(yù)測孔測得鉆屑解析指標(biāo)值下降明顯且無超標(biāo)現(xiàn)象，溜子道安全揭煤；同時，溜子道在安全掘進(jìn)16 m的過程中鉆屑解析指標(biāo)值均有所下降且無超標(biāo)現(xiàn)象，在16 m時再打預(yù)測孔預(yù)測則鉆屑解析指標(biāo)值，4#預(yù)測孔所測值有所下降且無超標(biāo)現(xiàn)象，5#預(yù)測孔在前方8m處所測值基本不變且接近臨界值，將鉆屑解析指標(biāo)值下降明顯且無超標(biāo)區(qū)域確定為抽放鉆孔抽放有效區(qū)域，鉆屑解析指標(biāo)值基本不變且接近臨界值區(qū)域確定為抽放鉆孔抽放無效區(qū)域。

通過結(jié)合表1抽放鉆孔參數(shù)計(jì)算得出，在溜子道煤巷在24 m處時，1#、2#鉆孔間距為4.4 m，2#、3#鉆孔間距為5.3 m；因此，021710工作面煤層瓦斯有效抽放半徑為2.2 m～2.5 m。

3.3 穿層鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯鉆孔應(yīng)控制整條煤層巷道及兩幫一定距離，依據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》傾斜煤層上幫控制為20 m，下幫為10 m。由于上述測定的021710工作面煤層瓦斯抽放有效半徑為2.2 m～2.5 m，考慮抽放時間及打鉆工程量因素，確定穿層鉆孔終孔間距為5 m。由于021710工作面底板巷鉆場間距為24 m，則每個鉆場控制沿煤巷掘進(jìn)方向前后各12 m范圍內(nèi)。由鉆場間距與鉆孔終孔間距確定出每個鉆場布置7排5列共35個孔徑為75 mm的鉆孔，相鄰每排鉆孔開孔間距為0.5 m，相鄰每列鉆孔開孔間距為0.8 m，其中最上排和最下排鉆孔分別距鉆場頂部與底部0.5 m，最左列與最右列鉆孔分別距鉆場左右?guī)透?.4 m，鉆孔終孔位置應(yīng)穿過煤層至其頂板約0.5 m。35個鉆孔每個鉆孔之間留有足夠的間距，既能達(dá)到抽放的控制范圍又能方便連接瓦斯抽放管道，鉆孔在煤層中均勻密集布置，鉆孔終孔點(diǎn)呈網(wǎng)格狀，采用水泥注漿法封孔，采用封孔材料標(biāo)號不低于32.5級的硅酸鹽礦渣水泥，水灰比為1：0.8～1：1；封孔深度為8 m。巖石底板巷及穿層鉆孔布置剖面圖見圖2所示，底板巷穿層鉆孔終孔布置圖見圖3所示。

圖2 底板巷及穿層鉆孔布置剖面圖

圖3 底板巷穿層鉆孔終孔布置示意圖

3.4 效果考察

1）殘余瓦斯含量、壓力計(jì)算

021710工作面走向長度為225 m，傾向長度為103m，底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽條帶瓦斯在上下順槽沿傾斜方向控制范圍均為30 m，切眼控制范圍為32 m，煤層平均厚度4.5 m，煤的容重為1.41 t/m3，經(jīng)過計(jì)算得出：021710工作面底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽條帶范圍為煤炭儲量為107 750 t；由于原始煤層瓦斯含量為8.6 m3/t，則預(yù)抽范圍內(nèi)煤層瓦斯儲量為926 650 m3；通過收集統(tǒng)計(jì)底板巷穿層鉆孔從開始抽放瓦斯以來的數(shù)據(jù)得出總共抽采的瓦斯純量為306 010 m3，則預(yù)抽條帶范圍內(nèi)煤層殘余瓦斯含量為5.76 m3/t。通過實(shí)驗(yàn)室測定煤的工業(yè)分析值及吸附常數(shù)，利用朗格繆爾公式反算得出煤層殘余瓦斯壓力為0.39 MPa。

2）瓦斯抽采率計(jì)算

現(xiàn)場測定計(jì)算瓦斯抽放率，其計(jì)算方法一般按照煤層瓦斯含量計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Qk—煤層殘余瓦斯含量，計(jì)算為5.76 m3/t；

Wk—煤層原始瓦斯含量，測定為8.6 m3/t；

將相關(guān)參數(shù)代入公式1計(jì)算可得：底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯平均抽放率為33%。

3）預(yù)抽指標(biāo)值對比分析

通過在下抽巷的穿層鉆孔測定原始煤層濕煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2為430 Pa～500 Pa，預(yù)測孔預(yù)測干煤的鉆屑量最大值為10 kg；而經(jīng)過底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽后，通過預(yù)測，干煤的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2最大值為140 Pa～160 Pa，而鉆屑量最大值為3.5 kg，可見抽采后鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與鉆屑量S值均低于臨界值，且下降率為60%左右。

通過對試驗(yàn)礦021710工作面底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯效果考察得出該工作面煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與鉆屑量指標(biāo)S最大值均低于始突臨界值，且瓦斯抽采率達(dá)到基本要求，可見巖石底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯區(qū)域消突技術(shù)對單一突出煤層瓦斯災(zāi)害治理效果顯著。

4 結(jié)論

1）利用預(yù)測指標(biāo)法測定煤層瓦斯抽采有效半徑，并以此設(shè)計(jì)穿層鉆孔參數(shù)來抽采煤巷瓦斯進(jìn)行區(qū)域消突是可行的。

2）通過測定試驗(yàn)礦021710工作面煤層瓦斯抽采有效半徑為2.2 m～2.5 m，設(shè)計(jì)的穿層鉆孔終孔間距為5 m，底板巷布置在煤層底板以下15 m處，鉆場間距為24 m，穿層鉆孔控制煤巷上幫20 m，下幫10 m。

3）通過對試驗(yàn)礦021710工作面底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯技術(shù)效果考察得出，經(jīng)預(yù)抽后該工作面煤層殘余瓦斯含量、壓力分別為5.76 m3/t、0.39 MPa，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2與鉆屑量指標(biāo)S最大值分別為140 Pa～160 Pa、3.5 kg均低于始突臨界值，且瓦斯抽采率為33%，可見底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯技術(shù)對單一突出煤層區(qū)域消突效果顯著。