突出礦井薄煤層順層鉆孔合理布置研究

鐘 帥

(西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200)

某礦開采的4、6、9煤層均具有突出危險性，但是6號煤層突出危險性相對較低，因此將其作為保護層最先開采。6號煤層厚度平均0.68m，屬于薄煤層，瓦斯含量、壓力分別為12.68m3/t、0.93MPa，透氣性較差，屬于難以抽采煤層。6號煤層瓦斯治理采用單排瓦斯抽采鉆孔進行預抽。但是由于在開采過程中布置的鉆孔參數(shù)設計不合理，造成瓦斯治理鉆孔施工工程量以及瓦斯抽采時間較長，不僅會降低鉆孔利用效率而且還嚴重造成礦井采掘接替緊張，不利于礦井高效生產[1～3]。

為了掌握礦井6號煤層瓦斯治理達標時間與瓦斯抽采鉆孔布置間關系，從而實現(xiàn)根據礦井采掘接替需要制定鉆孔施工參數(shù)，避免造成抽采鉆孔施工工程量過大問題，文中采用現(xiàn)場測試方法對瓦斯抽采鉆孔布置展開研究，研究成果對促進礦井采、掘、抽正常接替具有顯著的促進意義。

1 考察方案設計

瓦斯抽采鉆孔間距、鉆孔孔徑等均會影響瓦斯抽采效果。增加瓦斯抽采鉆孔孔徑可以提升瓦斯抽采流量，縮短抽采鉆孔間距可以減少瓦斯抽采達標耗時，但是鉆孔施工工程量顯著增加[4～5]。為了考察不同鉆孔施工參數(shù)下的瓦斯抽采達標時間，便于根據采掘抽計劃制定合理瓦斯抽采參數(shù)，文中對設計2種瓦斯抽采鉆孔布置考察方案，具體為：在保持鉆孔孔徑不變情況下，通過改變鉆孔間距分析不同孔間距對瓦斯抽采效果影響；同時增加鉆孔孔徑及孔間距，分析不同鉆孔布置參數(shù)下的瓦斯抽采達標耗時情況。根據考察結果歸結出不同瓦斯抽采鉆孔布置情況下的瓦斯抽采時間、殘余瓦斯含量間關系，從而指導后續(xù)的瓦斯治理工作。

2 現(xiàn)場考察分析

2.1 試驗地點概況

試驗地面為該礦6305回采工作面(走向692m、斜長135m)，該采面開采6號煤層，埋深平均為436m，傾角為17°，瓦斯含量12.68m3/t、壓力0.93MPa，采用綜采方式開采，全部垮落法管理頂板。由于開采的6號煤層具有突出危險性，在采面回采巷道內布置順層瓦斯抽采鉆孔對瓦斯進行治理，確保回采安全。

2.2 鉆孔施工

為了掌握鉆孔布置參數(shù)對瓦斯抽采達標影響，對不同瓦斯鉆孔間距情況下的瓦斯抽采達標時間進行分析，具體為：在6305進風巷內按照3.0m、5.0m間距各布置15個孔徑65mm瓦斯采鉆孔，對相同鉆孔孔徑不同鉆孔間距下的瓦斯抽采達標時間進行考察；同時在進風巷內按照8.0m鉆孔間距布置15個孔徑87mm鉆孔，對增加鉆孔孔徑及間距對瓦斯抽采達標時間影響進行分析。在回采工作面內布置的瓦斯抽采鉆孔孔深均為70mm，具體布置情況見圖1。

圖1 鉆孔布置示意圖

鉆孔施工采用MYZ150鉆機，其中65mm孔徑鉆孔采用直徑50mm鉆桿施工，采用壓風方式排渣；87mm孔徑鉆孔采用直徑87mm螺旋鉆桿施工，采用壓風、螺旋相結合方式排渣。由于6號煤層厚度僅為0.68m，鉆孔施工時常遇到鉆頂或者鉆底情況，鉆孔深度均達到70m，具體實際鉆孔參數(shù)見表1。

表1 實際鉆孔施工參數(shù)

2.3 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工完畢后及時接入抽采系統(tǒng)，相同孔徑、間距的瓦斯抽采鉆孔設定為一個評價單元，定期對瓦斯抽采鉆孔濃度、負壓以及流量進行測量。

1)瓦斯?jié)舛取⒓兞孔兓闆r

具體不同瓦斯抽采鉆孔參數(shù)下的瓦斯抽采濃度、純量變化情況見圖2。

圖2 鉆孔抽采隨時間變化情況

從圖2看出，在鉆孔孔徑一致時，瓦斯抽采濃度、流量會隨著抽采鉆孔間距縮小而增加。鉆孔孔徑均為65mm時，間距由5.0m降低至3.0m時瓦斯初始抽采濃度從17%增加至21%，增加率為26%；瓦斯抽采純量從0.13m3/min提升至0.17m3/min，增加率為27%。

同時增加鉆孔孔徑以及間距時也可以提升瓦斯抽采濃度、純量，但是增加效果較縮短鉆孔空間有所弱化。抽采鉆孔孔徑由65mm增加至87mm、間距由5.0m增加至8.0m時，瓦斯抽采濃度從17%提升至20%、純量從0.13m3/min提升至0.15m3/min，抽采濃度、純量增加率分別為17.5%、15.4%。

2)瓦斯抽采達標時間分析

將不同瓦斯抽采參數(shù)布置下的瓦斯抽采區(qū)域劃分成3個評價單元，將8.0m3/t作為防突效果達標指標。殘余瓦斯含量隨接抽時間變化情況見圖3。

圖3 殘余瓦斯含量隨接抽時間變化情況

從圖3看出，鉆孔孔徑保持不變時，隨著鉆孔間距的縮小，評價區(qū)域內殘余瓦斯含量值迅速降低，可以有效降低煤層消突耗時。

采用最小二乘法，對65mm孔徑，3m孔間距、5m孔間距下的煤層消突時間進行擬合分析，具體結果為：

W1=-0.137t+12.37 R2=0.0998

(1)

W2=-0.062t+12.412 R2=0.0999

(2)

其中：W1、W2分別表示3.0m、5.0m鉆孔間距時煤層內殘余瓦斯含量；t表示抽采鉆孔接抽時間；R2表示相似關聯(lián)度。

接抽85d時，65mm孔徑，間距3.0m、5.0m時，煤層內殘余瓦斯含量分別為6.92m3/t、7.22m3/t。同時根據表1得出，在65mm孔徑3.0m、5.0m布孔間距時噸煤煤孔量分別為0.53t/m、0.31t/m。采用公式(1)、(2)計算得出孔距3.0m、5.0m時消突時間分別為32d、71d，3.0m鉆孔間距消突時間較5.0m縮短39d，時間降低幅度為55%。

同步增加鉆孔孔徑及間距可以增大鉆孔瓦斯抽采濃度、純量，但是煤層消突耗時也加大。在8.0m孔間距、87mm孔徑接抽85d時，抽采單元內煤層內參與瓦斯含量為8.41m3/t，煤層未消突。采用最小二乘法得到的消突與接抽時間關系為：

W3=-0.0485t+12.465 R2=0.0999

(3)

從上述公式(3)看出，孔徑為87mm、間距為8.0m時，煤層消突時間耗時為93d，與65mm孔徑、5.0m瓦斯抽采鉆孔相比，鉆孔孔徑增加34%、間距增加60%，消突時間增加22d增幅為32%。

3 總結

1)瓦斯抽采鉆孔孔徑直接影響鉆孔徑向卸壓圈范圍及煤壁暴露表面積，不同鉆孔孔徑對瓦斯抽采鉆孔初期瓦斯影響較大，隨著時間推移，影響快速降低；鉆孔間距是影響瓦斯治理效果的關鍵因素，適當降低鉆孔間距可以有效降低煤層消突時間。

2)64mm孔徑，間距由5.0m降低至3.0m時瓦斯抽采濃度、純量均會增加，消突時間從71d降低至32d，降低幅度達到55%；鉆孔孔徑由64mm增加至87mm，間距由5.0m增加至8.0m時，瓦斯抽采濃度、純量雖有所增加，但是煤層消突時間從71d提升至93d，增加幅度為31%。

3)研究得到的不同瓦斯抽采鉆孔參數(shù)時煤層殘余瓦斯含量變化可以為礦井6號煤層后續(xù)回采工作面瓦斯抽采鉆孔布置提供指導。