高瓦斯煤層巷道掘進(jìn)期間快速消突技術(shù)實(shí)踐

陳祖國(guó) 冉永進(jìn)

（1.貴州豫能投資有限公司，貴州 黔西 551500；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

1 前言

煤礦災(zāi)害主要有煤與瓦斯突出、火災(zāi)，水災(zāi)、煤塵、頂板、沖擊地壓等，其中煤與瓦斯突出是發(fā)生次數(shù)最多、危害最大的，會(huì)嚴(yán)重破壞井下設(shè)備，威脅井下工人生命安全，有很大的幾率誘發(fā)瓦斯爆炸事故的發(fā)生。順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是瓦斯治理的主要措施之一，由于煤層透氣性低、鉆孔容易坍塌等原因，一直存在抽放率低、防突措施效果檢驗(yàn)超標(biāo)率高、補(bǔ)充防突措施頻繁、制約采面生產(chǎn)能力等問(wèn)題。目前通過(guò)煤巖體結(jié)構(gòu)改造來(lái)提高煤層透氣性是重要的增透措施之一，主要有水力壓裂、水力沖孔、CO2相變致裂、松動(dòng)爆破等物理改造技術(shù)。興發(fā)煤礦1602運(yùn)輸巷采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，但由于煤層透氣性低、煤層原始瓦斯含量大等原因，一直存在抽放難度大，抽放時(shí)間長(zhǎng)、防突措施效果檢驗(yàn)超標(biāo)率高、補(bǔ)充防突措施頻繁等問(wèn)題，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)緩慢。1602運(yùn)輸巷能否快速消突、解決接替失調(diào)，成為礦井安全生產(chǎn)的最重要問(wèn)題之一。因此，在1602運(yùn)輸巷采取順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯期間，實(shí)施快速消突技術(shù)，來(lái)增加煤層透氣性，提高抽放效率，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的快速消突，保證快速、安全掘進(jìn)和井下工人的人身安全。

2 工作面概況

2.1 M16煤層瓦斯賦存情況

礦區(qū)位于阿弓向斜的南東翼，為單斜構(gòu)造，地層傾角7°～12°，斷裂、褶曲不發(fā)育。根據(jù)對(duì)1602運(yùn)輸巷已掘段實(shí)際揭露的M16煤層情況的現(xiàn)場(chǎng)勘查：M16煤層顏色為黑色，光澤以半亮為主；煤層厚度約1.4m；條帶狀及塊狀結(jié)構(gòu)，多棱角，次生節(jié)理面多，且不規(guī)則；無(wú)軟分層，在靠近頂板附近有厚度約0.1m左右的夾矸；斷口性質(zhì)呈參差多角，中等硬度，煤體用手易剝成小塊。根據(jù)《煤礦瓦斯等級(jí)鑒定辦法》中附錄D中關(guān)于煤的破壞類型分類表對(duì)煤的破壞類型分類特征的描述，可以得出M16煤層煤的破壞類型為Ⅱ類（破壞煤）。

通過(guò)井下實(shí)際勘查及對(duì)相關(guān)地質(zhì)資料的查閱，1602運(yùn)輸巷掘進(jìn)條帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層傾角、走向、煤厚等無(wú)明顯變化，賦存較為穩(wěn)定，頂、底板多為粉砂巖。實(shí)測(cè)煤層原始瓦斯含量為10～15m3/t，實(shí)測(cè)煤層透氣性系數(shù)為1.3270～1.6787（m2/MPa2.d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.02803～0.02947（d-1），煤層屬于可以抽放，但是煤層透氣性系數(shù)偏小，實(shí)際煤層抽放時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2 區(qū)域防突措施現(xiàn)狀

1602運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，鉆孔控制巷道左右兩幫輪廓線外15m，每一循環(huán)控制巷道掘進(jìn)方向走向長(zhǎng)度120m，每次掘進(jìn)預(yù)留20m的安全距離，再布置下一循環(huán)抽放鉆孔。

鉆孔有效抽放影響半徑取1.5m，抽放鉆孔終孔間距3m，預(yù)計(jì)抽放時(shí)間為120d。抽放鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 抽放鉆孔設(shè)計(jì)圖

施工抽放鉆孔后，封孔連抽，采用瑪麗散封孔，每個(gè)鉆孔封孔長(zhǎng)度為10m，抽放負(fù)壓為20kPa。通過(guò)對(duì)抽放鉆孔瓦斯?jié)舛鹊挠^察，實(shí)際抽放過(guò)程中抽放鉆孔中瓦斯平均濃度如圖2所示。

圖2 抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛?/p>

由上圖可知，實(shí)際抽放過(guò)程中，在抽放時(shí)間到達(dá)70d的時(shí)候，抽放鉆孔中的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)很低，抽放效果差，如果繼續(xù)抽放，抽放效率很低，已經(jīng)影響到巷道的掘進(jìn)速度和采掘接替的順利進(jìn)行。同時(shí)在抽采70d后，進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗(yàn)，測(cè)試殘余瓦斯為8.2～8.5m3/t，實(shí)測(cè)工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)（K1，S），最大 K1值為 1.2ml/g·min1/2，超過(guò)了臨界值。

因此，需要采取致裂措施，通過(guò)改造煤巖體結(jié)構(gòu)來(lái)提高煤層透氣性，以提高抽采效率，節(jié)約抽放時(shí)間，在保證安全消突的前提下，提高巷道掘進(jìn)速度。

3 快速消突技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

針對(duì)礦井采掘接替緊張和1602運(yùn)輸巷實(shí)際抽放情況，決定在1602運(yùn)輸巷抽放期間進(jìn)行二氧化碳致裂增透。

二氧化碳致裂增透措施作為增加煤層透氣性、提高礦井瓦斯抽放技術(shù)水平與抽放能力的新技術(shù)，已經(jīng)在很多礦井進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，能夠有效地提高低透氣性煤層的透氣性，縮短突出煤層的抽放時(shí)間，達(dá)到高效、快速消突的目的，為二氧化碳致裂增透技術(shù)的應(yīng)用提供了實(shí)踐基礎(chǔ)。二氧化碳致裂增透機(jī)理為，液態(tài)二氧化碳汽化時(shí)瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波使煤體致裂，增加煤體透氣性，同時(shí)二氧化碳對(duì)煤體內(nèi)的瓦斯進(jìn)行驅(qū)替，使煤體瓦斯游離度提高，因此更容易將瓦斯從煤體中抽放出來(lái)。

根據(jù)1602運(yùn)輸巷抽放鉆孔布置情況，本次致裂孔間距為6m，可以選擇原有的抽放鉆孔或重新施工致裂孔。致裂孔長(zhǎng)度70m，致裂孔采用94mm直徑鉆頭施工，致裂器直徑73mm，長(zhǎng)度每根1m，安裝60根，前10m安裝連接桿后采用囊袋封孔。通過(guò)測(cè)試保證每根致裂器都聯(lián)通后，將工作人員撤到安全區(qū)域后，再起爆致裂器。致裂孔布置情況如圖3所示。

圖3 致裂孔布置情況

通過(guò)對(duì)原抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓挠^察，本次致裂措施選擇在抽放70d后，抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛葹?.8%時(shí)進(jìn)行。M16煤層實(shí)測(cè)煤的堅(jiān)固性系數(shù)為1.04～1.15，煤層相對(duì)較硬，鉆孔成孔較好，不易造成塌孔，有利于實(shí)施二氧化碳致裂爆破。實(shí)施致裂爆破后，將致裂措施孔進(jìn)行封孔連抽，對(duì)致裂孔周邊范圍內(nèi)的抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛鹊挠^測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，實(shí)施致裂爆破后，抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛仍黾恿?～3.5倍，表明實(shí)施致裂增透后，抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛扰c采取致裂技術(shù)前相比：最大增加了5.5倍，平均增加了3.2倍。表明實(shí)施致裂增透后，增加了煤體的裂隙、煤體卸壓范圍和煤層透氣性，提供了瓦斯流通的通道，使得煤體內(nèi)吸附的瓦斯能夠在較短的時(shí)間內(nèi)被抽放出來(lái)，節(jié)約了抽放時(shí)間，提高了煤體瓦斯抽放效率。

圖4 致裂后鉆孔平均瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

在實(shí)施致裂25d后，對(duì)1602運(yùn)輸巷掘進(jìn)方向前方70m、傾向約35m范圍內(nèi)M16煤層進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗(yàn)。實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量為5～7.2m3/t，即在抽放95d后，實(shí)測(cè)抽放后殘余瓦斯含量小于《防突規(guī)定》中的臨界值8m3/t，實(shí)現(xiàn)了消突，抽放時(shí)間縮短了25d。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本次的致裂快速消突技術(shù)能有效地增加煤體的裂隙、煤體卸壓范圍和煤層透氣性，提供了瓦斯流通的通道，使得煤體內(nèi)吸附的瓦斯能夠在較短的時(shí)間內(nèi)被抽放出來(lái)，節(jié)約了抽放時(shí)間，提高了煤體瓦斯抽放效率。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：實(shí)施致裂快速消突技術(shù)后，抽放鉆孔平均瓦斯?jié)舛扰c實(shí)施致裂措施前相比：最大增加了5.5倍，平均增加了3.2倍，抽放時(shí)間縮短了25d。