突出煤層立體式瓦斯治理模式與效果檢驗

梁道富，張云寧

（1.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 黔西551500；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟南煤炭科技研究院分公司，山東 濟南250000）

0 引 言

煤與瓦斯突出事故是煤礦最嚴(yán)重災(zāi)害之一，隨著開采深度的不斷加深，煤層瓦斯含量和壓力逐漸增大，許多煤層在采掘過程中具有突出隱患。研究人員采用了許多瓦斯治理方案[1-4]進行治理，但是不同礦井煤層具有不同地質(zhì)特征和基礎(chǔ)力學(xué)特征，單一治理方法無法達到治理效果。應(yīng)針對不同礦井選擇合適的治理方法[5-7]，制定具有針對性的瓦斯治理模式。董康乾[8]等人針對董家河煤礦22518 綜采工作面開展瓦斯防治技術(shù)研究并進行現(xiàn)場效果檢驗。付亞樓[9]對綜采工作面區(qū)域防突抽采技術(shù)進行了研究與應(yīng)用。王寶貴，賈炳[10]針對馬蘭礦18504 工作面瓦斯災(zāi)害防治措施開展優(yōu)化研究。范興方[11]針對安順煤礦地質(zhì)條件進行綜合治理技術(shù)研究。

青龍煤礦煤層具有高瓦斯含量，高瓦斯壓力，低滲透性的特點。在掘進煤巷時，煤層瓦斯含量和壓力超標(biāo)，具有煤與瓦斯突出事故隱患。因此，必須對掘進工作面制定全面的瓦斯治理方案，針對現(xiàn)狀，提出掘進面立體式高效瓦斯治理方案，包括突出煤層區(qū)域瓦斯治理，水力沖孔增透強化抽采瓦斯和突出煤層掘進工作面瓦斯治理措施。致力從多個角度對掘進工作面瓦斯治理制定了全面的措施，以期消除突出隱患，保證生產(chǎn)安全。

1 工程概況

青龍煤礦屬貴州黔西能源開發(fā)有限公司，位于黔西縣東南部，井田地形條件總體上受區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制。井田內(nèi)地勢總趨勢呈南東高、北西低。東部及南部較平緩，西及西北部地勢起伏較大。經(jīng)測定，16 煤層瓦斯含量為12.16～19.88m3/t，平均含量為16.02m3/t，18 煤層瓦斯含量為6.20～24.37m3/t，平均含量為15.28m3/t，具體如表1 所示。16，18 煤層瓦斯壓力如表2 所示。

1615 運順施工層位為16 煤及其底板粉砂巖。根據(jù)11615 工作面施工抽采鉆孔前16 煤層取樣化驗結(jié)果，16 煤層最大瓦斯含量為17.9487m3/t（包含3.83m3/t 的不可解析瓦斯含量）。

表1 16、18 煤層瓦含量測定結(jié)果

表2 16、18 煤層瓦斯壓力測定結(jié)果

2 立體式瓦斯治理方案

2.1 突出煤層區(qū)域瓦斯治理措施

2.1.1 底抽巷抽采瓦斯

綜合礦井煤層地質(zhì)條件和瓦斯治理需求，選擇設(shè)計底板瓦斯抽采巷，利用穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯。底板瓦斯抽采巷設(shè)計以L9 上灰?guī)r作為頂板標(biāo)志層，在距18 煤底板8～10m 層位處布置，并在瓦斯底抽巷內(nèi)每隔6.5m 布置一個鉆場，其中個鉆場布置6～8 個鉆孔，鉆孔直徑為94mm，封孔深度8m 全孔下套管，鉆孔控制到上部16 煤層巷道輪廓線外15 米范圍，底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔布置示意圖如圖1 所示。

2.1.2 定向抽采鉆孔設(shè)計

通過在16 煤底板施工定向鉆孔主孔（主孔主要分為兩種方式施工，一種是鉆場在16 煤底板，鉆孔在16 煤底板施工主孔；另一種是鉆場在底抽巷，鉆孔穿過灰?guī)r、18 煤到16 煤底板施工），主孔間距10m，孔深120～600m 左右，在主孔每隔60～80m 開分支進入煤層，分支孔煤段長度在30～100m 左右，具體如圖2 所示。

圖2 掘進工作面定向抽采鉆孔布置剖面圖

2.2 水力沖孔增透強化抽采瓦斯措施

為了保障工作面巷道掘進和開切眼施工的安全，通過在11615 運順及軌順底抽巷，為降低11615工作面瓦斯含量和壓力，預(yù)先結(jié)合水力沖孔增透措施對煤層瓦斯抽采。

此次卸壓增透促進煤層瓦斯抽采選擇水力沖孔與普通鉆孔結(jié)合的方式，對1# 鉆場進行現(xiàn)場試驗，選取1# 鉆場3#、6# 和7# 鉆孔進行高壓水射流破煤試驗，其他鉆孔為普通抽采鉆孔。經(jīng)查閱文獻資料并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，綜合水力沖孔和不沖孔有效半徑確定各個鉆孔孔間距為4.5m，鉆孔均設(shè)計直徑為113mm，各鉆孔傾角具體見圖3。

2.3 突出煤層掘進工作面瓦斯治理措施

工作面預(yù)測有突出危險時，主要采取施工超前鉆孔或松動爆破作為工作面局部防治突出措施。

2.3.1 超前鉆孔

超前鉆孔施工時根據(jù)煤層的厚度及巷道斷面進行布置施工，超前鉆孔直徑不小于76mm，必須控制在巷道輪廓線外5m 位置，超前鉆孔的終孔間距根據(jù)鉆孔的超前鉆孔半徑而定，鉆孔的終孔間距小于鉆孔超前鉆孔半徑的2 倍。超前鉆孔的布置與石門揭煤工作面超前鉆孔的布置方式相同。最后一個超前鉆孔施工完畢后必須有不小于8h 的超前鉆孔時間，保證煤層得到充分的卸壓和抽采。超前鉆孔布置如圖4 所示。

圖3 穿層鉆孔剖面圖

圖4 煤巷掘進工作面超前鉆孔布置圖

2.3.2 深孔松動爆破

實施深孔松動爆破時在工作面施工3 個深度為8～10m 爆破孔和4 個長度大于爆破孔長度的卸壓孔，爆破孔的孔徑為42mm，卸壓孔的孔徑為75mm 以上，爆破孔的終孔控制在巷道輪廓線外3m。爆破孔和卸壓孔就交替布置，具體如圖5 所示。利用爆破孔爆破產(chǎn)生的動能和卸壓孔提供的導(dǎo)向使煤體原有裂隙擴展，達到瓦斯和應(yīng)力卸壓，煤層增透的目的。

圖5 煤巷掘進工作面深孔爆破布置圖

3 瓦斯治理方案效果檢驗

3.1 瓦斯治理效果檢驗鉆孔布置

在現(xiàn)場進行如圖6-圖8 所示的測點，用于檢驗立體式瓦斯治理效果。

圖6 區(qū)域預(yù)抽瓦斯措施檢驗測試點布置圖

圖7 區(qū)域穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯措施檢驗測試點布置圖

3.2 區(qū)域預(yù)抽瓦斯效果檢驗

11615 工作面運順底抽巷頂板穿層鉆場20 組、21 組和22 組鉆場的瓦斯抽采濃度隨時間的變化，如圖9 所示。在抽采初期瓦斯?jié)舛榷荚?0%左右，經(jīng)歷1 年時間的抽采瓦斯?jié)舛戎饾u降低，在抽采末期抽采瓦斯?jié)舛鹊陀?0%。

圖8 順層鉆孔或定向鉆孔抽采煤層條帶措施檢驗測試點布置圖

圖9 11615 工作面底抽巷頂板穿層鉆場瓦斯抽采濃度隨時間變化關(guān)系

3.3 水力沖孔卸壓增透抽采瓦斯效果考察

根據(jù)1#鉆場水力沖孔與普通鉆孔相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化鉆孔組合卸壓增透的試驗，選取進行水力沖孔的3#，6#，7#鉆孔。根據(jù)水力沖孔出煤量和煤層中射流鉆頭的進深，計算出水力沖孔擴孔半徑，見表3。結(jié)合水力沖孔前煤層瓦斯含量和進行水力沖孔30 天后煤層殘余瓦斯含量，計算出1#鉆場各鉆孔的瓦斯抽采率，見表4。

表3 水力沖孔試驗效果

表4 考察孔瓦斯抽采率

從表4 可看出，經(jīng)30 天的瓦斯抽采，各個試驗鉆孔的瓦斯抽采率均大于20%。在1#鉆場區(qū)域內(nèi)，瓦斯的平均抽采率達到了43.4%。而且次水力沖孔的影響半徑達到9m，所以煤層水力沖孔技術(shù)不僅增大瓦斯抽采量，而且可成倍擴大鉆孔的瓦斯抽采半徑，對煤層瓦斯抽采有積極地影響。

3.4 掘進工作面掘進效果

采用煤與瓦斯突出煤層掘進工作面立體式高效瓦斯治理技術(shù)前，11615 掘進工作面突出綜合指標(biāo)時常超限，巷道掘進月進尺僅有20～70m。經(jīng)立體高效式瓦斯治理技術(shù)后，11615 運順評價區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力均＜0.6MPa，瓦斯含量均＜6m3/t，鉆屑量S均值為2.4＜6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2 均值為190＜200 Pa，大幅度降低了效檢超標(biāo)率，巷道掘進月進尺達到200m 左右，提升了3～4 倍。物料交接和現(xiàn)場安全環(huán)節(jié)檢查采用分工平行作業(yè)的方法進行施工，縮短大約10min 左右的交班時間。日均進尺優(yōu)化提升3.2m，月均進尺優(yōu)化提升96m，月掘進效率提升66.7%。

4 結(jié) 論

1）針對青龍煤礦11615 工作面存在突出隱患問題，提出了基于水力沖孔和深孔松動爆破卸壓增透的局部+區(qū)域立體式高效瓦斯治理模式。

2）通過保護層（16 煤）的開采，被保護層（18煤） 煤層透氣性系數(shù)由7.1m2/（MPa2·d） 增加到101.2m2/（MPa2·d），提高了14 倍。

3）水力沖孔擴孔半徑超過了鉆孔半徑的3 倍，高壓水射流破煤效果顯著，在一定程度上降低和消除了突出危險性。采用水力沖孔強化增透抽采瓦斯，各個考察孔的瓦斯抽采率瓦斯抽采率均大于20%，瓦斯的平均抽采率達到了43.4%；鉆孔的瓦斯抽采半徑擴大了1 倍，達到了9m。

4）經(jīng)過煤與瓦斯突出煤層掘進工作面立體式高效瓦斯治理，突出指標(biāo)有了明顯下降。11615 運順評價區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力均＜0.6MPa，瓦斯含量均＜6m3/t，鉆屑量S 均值為2.4＜6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2 均值為190＜200Pa，各項檢驗指標(biāo)均低于臨界值。