曙光煤礦底抽巷穿層鉆孔消突技術研究與應用

曹兔科

(山西省孝義市應急管理局，山西 孝義 032300)

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團公司曙光煤礦位于山西省中部孝義市，目前主采2號煤層，煤層平均厚度2.78 m，煤層傾角最大5°，最小1°，平均傾角3°，可采性指數(shù)為1，為穩(wěn)定煤層，屬井田內(nèi)主要可采煤層。礦井設計生產(chǎn)能力90萬t/a。1232工作面地表標高在+927～+1 054 m之間，相對高差127 m，對應地表位置大部分為第三、第四系黃土覆蓋，溝谷發(fā)育；工作面標高在+442～+504 m之間，平均埋深約550 m。礦井瓦斯絕對涌出量為112.45 m3/min，相對涌出量為36.2 m3/t，是煤與瓦斯突出礦井。正在準備的1232工作面共布置兩條回采巷道，分別為運輸巷、軌道巷，布置在2號煤層中，沿煤層頂板掘進。煤巷掘進期間施工卸壓孔時噴瓦斯現(xiàn)象時有發(fā)生，導致施工工期長，效率低下，為確保1232工作面兩條回采巷道掘進期間的安全，在工作面下部的泥巖巖層中布置底抽巷，底抽巷與2號煤層底板垂直距離為8～10 m，與1232運輸巷水平距離為20 m，采用在底抽巷內(nèi)布置穿層鉆孔預抽巷道掘進區(qū)域瓦斯，以確保掘巷期間的施工安全。

2 穿層鉆孔抽采瓦斯有效抽采半徑分析

2.1 穿層鉆孔抽采半徑理論分析

在1232工作面設計采用穿層鉆孔進行瓦斯預抽的區(qū)域，首先施工瓦斯抽采實驗鉆孔，封孔完成后并入抽采瓦斯管路進行瓦斯抽采，采用流量計記錄抽采瓦斯?jié)舛入S抽采時間的變化，通過回歸分析得到抽采鉆孔的瓦斯流量衰減系數(shù)及百米穿層鉆孔初始瓦斯流量，計算得到鉆孔的有效抽采半徑，回歸分析公式為：

q(t)=q0×e-βt

(1)

(2)

式中：q(t)為抽采時間為t時鉆孔內(nèi)瓦斯流量，m3/min；q0為開始抽采時鉆孔內(nèi)瓦斯流量，m3/min；β為流量衰減系數(shù)，d-1；t為抽采時間，d。

穿層鉆孔有效抽采半徑R計算公式為[1]：

(3)

式中：ρ為煤層的平均密度，t/m3；η為瓦斯抽采率，%；W為煤層中原始瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)流量計記錄數(shù)據(jù)，瓦斯抽采實驗鉆孔封孔抽采180 d后，瓦斯流量由7.56 m3/min衰減到1.56 m3/min，由式(2)計算得到β=0.008 8 d-1，2號煤密度為1.35 t/m3，瓦斯初始含量W=36.2 m3/t，欲通過穿層鉆孔降至8 m3/t以下，煤層瓦斯抽采率η=77.9%，將以上參數(shù)代入式(3)可得，穿層鉆孔抽采180 d有效抽采半徑為2.91 m。

2.2 穿層鉆孔布置參數(shù)分析

每個穿層鉆孔在煤層中形成的有效抽采區(qū)域近似為一個圓，為取得良好的消突效果，要求穿層鉆孔的有效抽采區(qū)域覆蓋整個預抽采區(qū)域，鉆孔間的直線距離為其有效抽采半徑的2倍時，鉆孔無論怎樣布置，均不可避免地使煤層中存在一定面積的抽采盲區(qū)，因此為達到對整個區(qū)域進行有效的抽采目的，首先進行鉆孔布置間距的優(yōu)化分析。抽采鉆孔采用三角形布置均需要重疊一部分區(qū)域，才能消除鉆孔間的抽采盲區(qū)，若要將3個鉆孔間的抽采盲區(qū)覆蓋，3個鉆孔的布置示意如圖1所示。

圖1 穿層鉆孔水平間距優(yōu)化分析示意

3 底板穿層鉆孔布置參數(shù)設計

根據(jù)煤與瓦斯突出礦井煤巷掘進《防突規(guī)定》，煤巷掘進前對巷道掘進區(qū)域進行穿層鉆孔預抽瓦斯消突時，穿層鉆孔有效抽采區(qū)域應覆蓋巷道兩幫輪廓線以外至少15 m[2]，穿層鉆孔沿巷道寬度方向的個數(shù)計算公式為[3]：

(4)

式中：B為巷道掘進寬度，m；R為穿層鉆孔的抽采半徑，m。

沿巷道掘進方向鉆孔的數(shù)量計算公式為：

(5)

式中：L為煤巷掘進長度，m。

曙光煤礦1232運輸巷寬度為5.0 m，總長度為1 565 m，穿層鉆孔有效抽采半徑為2.91 m，計算可得，沿巷道寬度方向穿層鉆孔數(shù)量NW=8.32個，因此設計煤巷寬度方向布置10個穿層鉆孔，鉆孔間距離為5.0 m；沿巷道長度方向需布置鉆孔數(shù)量Nt=310個。綜上可知，共需3 100個穿層鉆孔，平面布置形式如圖2所示。

圖2 穿層鉆孔平面布置示意

4 底抽巷穿層鉆孔現(xiàn)場應用

在1232底抽巷左幫向1232運輸巷掘進區(qū)域施工穿層鉆孔，每組10個鉆孔，1～10號穿層鉆孔的布置參數(shù)見表1，鉆孔終孔處間距為5 m，鉆孔開孔處水平距離為0.5 m，鉆孔開孔處距底板2 m，鉆孔直徑為94 mm，共設計3 100個鉆孔，鉆孔有效抽采范圍覆蓋1232運輸巷輪廓線兩側各20 m。設計穿層鉆孔施工后平面布置如圖3所示。

表1 穿層預抽鉆孔參數(shù)

圖3 1232運輸巷穿層鉆孔布置平面

1232底抽巷內(nèi)穿層鉆孔施工采用ZYG-4000L型鉆機，每施工完一個鉆孔后，立即進行封孔，封孔采用“兩堵一注”囊袋帶壓注漿式封孔器，封孔長度不小于5 m，封孔前應將孔內(nèi)積水、巖屑清理干凈，封孔完接入抽采系統(tǒng)。單孔孔口安設導流管，使用瓦斯綜合參數(shù)測定儀測定單孔負壓、流量、濃度等參數(shù)。1232底抽巷內(nèi)瓦斯抽采支管內(nèi)徑為300 mm，總長度約1 550 m，抽采負壓為20 kPa，抽采時間不少于180 d。1232運輸巷掘進區(qū)域瓦斯預抽路線：1232底抽巷幫部穿層鉆孔—底抽巷抽采支管(內(nèi)徑300 mm)—二采區(qū)回風上山抽采管路(直徑700 mm)—回風大巷—管道立眼—地面永久抽采泵站。

5 防突效果分析

1232運輸巷掘進期間采用鉆屑法鑒定圍巖的突出危險性，巷道掘進期間，在掘進工作面迎頭處向前施工探測孔，探測孔布置如圖4所示，測試鉆孔施工過程中的鉆屑量S和瓦斯解吸指標K1，根據(jù)《防突規(guī)定》，當S值小于6 kg/m且K1值小于0.5 mL/(g·min1/2)時[4]，表明該區(qū)域煤層無煤與瓦斯突出的危險。1232運輸掘進期間測得的S值和K1值隨著進尺的變化趨勢如圖5所示。

圖4 探測孔布置示意

由圖5可以看出，煤層內(nèi)瓦斯解吸指標最大值為0.46 mL/(g·min1/2)，始終小于參考臨界值0.5 mL/(g·min1/2)，煤層內(nèi)鉆屑量S值最大為1.9 kg/m，遠小于6 kg/m，S值和K1值均小于規(guī)定的臨界值，探測孔施工期間未出現(xiàn)噴孔等現(xiàn)象。綜上可知，通過穿層鉆孔預抽后，成功消除了煤巷掘進期間瓦斯突出的危險。

6 結 語

對于煤與瓦斯突出礦井，必須采取區(qū)域消突和局部防突措施，以保證工作面的安全生產(chǎn)，曙光煤礦煤巷掘進期間采用底抽巷穿層鉆孔預抽瓦斯技術進行區(qū)域消突，取得了良好的效果，值得借鑒。

圖5 煤層內(nèi)S值和K1值隨進尺的變化規(guī)律