土城礦石門跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突技術(shù)研究

張時(shí)超 李遠(yuǎn)知 程 坦

（1.盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 六盤水 553529；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

土城礦為近距離煤層群開(kāi)采，各煤層均具有突出危險(xiǎn)性，采區(qū)延深工程中石門數(shù)量多、揭煤次數(shù)多，成為防治煤與瓦斯突出事故的重點(diǎn)。本文以土城礦158 運(yùn)輸石門及158 回風(fēng)石門揭煤為研究對(duì)象，深入研究石門跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突技術(shù)[1-4]，為保證礦井安全生產(chǎn)、防止突出事故發(fā)生提供實(shí)踐參考。

1 工程概況

土城礦含煤地層為二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，屬于薄及中厚煤層為主的近距離煤層群。158 運(yùn)輸石門及158回風(fēng)石門為下區(qū)段準(zhǔn)備巷道，掘進(jìn)期間需從煤層底板 揭 露29#、27#、24#、21#、20#、18#、17#、16#、15#、12-2#、12#、6#、5#、3#煤 層，共 計(jì)14 層煤。為保證158 運(yùn)輸石門及158 回風(fēng)石門揭煤區(qū)域瓦斯治理工作到位，安全揭露各煤層，通過(guò)上區(qū)段157回風(fēng)石門施工順層瓦斯抽采鉆孔，進(jìn)行跨區(qū)段消除石門揭煤突出危險(xiǎn)性。現(xiàn)157 回風(fēng)石門為上區(qū)段準(zhǔn)備巷道已揭露至9#煤層，158 運(yùn)輸石門已揭露21#煤層，距15#煤層175 m，158 回風(fēng)石門已揭露27#煤層，距15#煤層383 m。

2 石門跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突技術(shù)

2.1 鉆孔布置參數(shù)計(jì)算

合理的鉆孔布置是確保瓦斯抽采到位、無(wú)抽采盲區(qū)的關(guān)鍵。以煤層瓦斯流動(dòng)理論為基礎(chǔ)，任意時(shí)刻每米鉆孔瓦斯抽采量Q與預(yù)抽周期如下式：

式中：Q0為每米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3；t為預(yù)抽周期，h；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行積分，可得到抽采70 d 后鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量Qt與時(shí)間的關(guān)系如下：

式中：L為鉆孔見(jiàn)煤段長(zhǎng)度，m；ρ為煤體密度，kg/m3；r1為鉆孔半徑，m；r2為有效抽采半徑，m；W為煤層原始瓦斯含量，m3/ t；η為煤層瓦斯抽采率，%。

因鉆孔半徑遠(yuǎn)小于有效抽采半徑，故可得有效鉆孔半徑影響范圍：

由計(jì)算可知預(yù)抽70 d 時(shí)鉆孔有效影響半徑可達(dá)3.0 m 左右。

2.2 順層長(zhǎng)鉆孔跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯

近距離煤層群相鄰區(qū)段石門揭露相同煤層時(shí)，采用已揭露完畢的石門沿煤層傾向施工順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽相鄰區(qū)段石門揭煤區(qū)域瓦斯，通過(guò)施工密集的抽采鉆孔使煤體形成局部卸壓，在預(yù)抽煤層瓦斯作用下降低其瓦斯壓力與瓦斯含量，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)撃軠p弱、地應(yīng)力下降，并使揭煤區(qū)域煤層堅(jiān)固性系數(shù)增加，達(dá)到消除突出危險(xiǎn)性的目的[5-6]。

通過(guò)157 回風(fēng)石門揭露15#煤層位置施工順層長(zhǎng)鉆孔跨區(qū)段預(yù)抽158 運(yùn)輸石門、158 回風(fēng)石門揭煤區(qū)域瓦斯，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對(duì)采用井下預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施要求，抽采鉆孔最小控制范圍是石門揭煤處巷道輪廓線外左右及上下方至少15 m（見(jiàn)煤點(diǎn)）[7]。因兩條石門距離較近且揭煤預(yù)抽瓦斯區(qū)域存在重疊部分，為減少鉆孔施工工程量及后期回采巷道布置期間的瓦斯治理，綜合考慮將兩條石門揭煤瓦斯抽采區(qū)域合并為一個(gè)較大范圍的抽采區(qū)域，在157 回風(fēng)石門揭露15#煤層位置處兩側(cè)施工1#、2#鉆場(chǎng)。以上述鉆孔預(yù)抽70 d 時(shí)的有效影響半徑為鉆孔布置依據(jù)，呈扇形均勻布置，控制157 石門揭煤傾向區(qū)域。采用的鉆孔直徑為94 mm，共計(jì)15 個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔設(shè)計(jì)如圖1。

2.3 精準(zhǔn)控制揭煤區(qū)域瓦斯抽采范圍

保證鉆孔施工質(zhì)量、精準(zhǔn)控制瓦斯抽采范圍是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)段石門揭煤區(qū)域消除突出危險(xiǎn)性的關(guān)鍵。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)、施工難度及現(xiàn)有技術(shù)裝備水平，鉆孔施工采用ZDY10000SWL 型大功率、大扭矩鉆機(jī)配合ZXC1000 型鉆孔測(cè)斜儀，進(jìn)行開(kāi)孔定位，并在鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)記錄鉆孔軌跡測(cè)斜數(shù)據(jù)，為鉆孔成孔質(zhì)量、精準(zhǔn)控制預(yù)抽瓦斯范圍合理性提供依據(jù)。通過(guò)鉆孔完成圖顯示，瓦斯預(yù)抽范圍完全覆蓋158 回風(fēng)石門、158 運(yùn)輸石門揭15#煤區(qū)域。通過(guò)ZXC1000 礦用鉆孔測(cè)斜儀測(cè)量，各鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

圖1 跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)圖

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯抽采效果及突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2020 年6 月12 日在157 回風(fēng)石門鉆場(chǎng)施工8#鉆孔時(shí)，對(duì)下區(qū)段揭煤區(qū)域15#煤層原始瓦斯參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，其原始瓦斯含量為8.929 8 m3/t，原始瓦斯壓力為1.21 MPa。截至6 月29 日8 點(diǎn)班完成設(shè)計(jì)鉆孔施工及封抽工作。1#、2#鉆場(chǎng)預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯情況如圖2。

表2 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表

圖2 瓦斯抽放量統(tǒng)計(jì)圖

從圖2 可知，從7 月1 日至9 月26 日157 回風(fēng)石門1#、2#鉆場(chǎng)瓦斯抽采時(shí)間為88 d，抽采初期兩鉆場(chǎng)內(nèi)抽采主管路瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)迅速降低趨勢(shì)，至抽采45 d 時(shí)主管濃度下降至11%左右，瓦斯抽采量仍達(dá)到1137 m3/d，保持較高的抽采水平；至抽采75 d 時(shí)，瓦斯抽采量及抽采濃度下降幅度變緩；至抽采88 d 時(shí)，主管瓦斯?jié)舛冉抵?%，瓦斯預(yù)抽基本結(jié)束。累計(jì)瓦斯抽采量為176 702 m3，瓦斯預(yù)抽率達(dá)58.2%，預(yù)抽區(qū)域煤層殘余瓦斯含量為3.730 2 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.152 MPa，達(dá)到《瓦斯預(yù)抽消突效果評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（NB/T51006-2012）對(duì)殘余瓦斯含量8 m3/t（構(gòu)造帶6 m3/t）、殘余瓦斯壓力0.74 MPa 的抽采瓦斯效果評(píng)判指標(biāo)要求。

石門揭煤期間在158 運(yùn)輸石門巷道正前方及其上、下、左、右各施工了1 個(gè)效果檢驗(yàn)孔，經(jīng)實(shí)測(cè)該揭煤區(qū)域殘余瓦斯含量最大值為4.198 9 m3/t，下降幅度為53%，殘余瓦斯壓力0.214 MPa，下降幅度為82%，消突效果達(dá)標(biāo)。

3.2 效果分析

石門跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯實(shí)現(xiàn)順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽范圍覆蓋158 運(yùn)輸石門揭煤區(qū)域，使其煤層瓦斯含量及瓦斯壓力由8.929 8 m3/t、1.21 MPa 降至4.198 9 m3/t、0.214 MPa，消除石門揭煤突出危險(xiǎn)性，與157 回風(fēng)石門揭15#煤層相比，瓦斯預(yù)抽率提高13.2%，瓦斯預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)由27.4%降至11.2%。自與煤層法向距離10 m 至揭煤結(jié)束期間，掘進(jìn)工程量30.6 m，施工時(shí)間14.5 d，縮短23 d，石門揭煤期間掘進(jìn)速率提升61.3%。

4 總結(jié)

（1）石門跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域鉆孔利用率提高，同時(shí)消除多條石門揭煤突出危險(xiǎn)性，且為后期相應(yīng)聯(lián)絡(luò)巷道布置提供超前瓦斯治理，降低后續(xù)瓦斯治理難度。

（2）與施工穿層鉆孔作為區(qū)域防突措施相比，避免了工作面前方處于應(yīng)力集中和高瓦斯?fàn)顟B(tài)，充分利用瓦斯治理空間，減少對(duì)巷道施工進(jìn)度的影響。

（3）采用高功率、大扭矩鉆機(jī)配合鉆孔測(cè)斜儀施工順層長(zhǎng)距離鉆孔，是精準(zhǔn)掌握跨區(qū)段預(yù)抽石門揭煤區(qū)域瓦斯的有效方法，保證了揭煤區(qū)域瓦斯治理效果。

（4）實(shí)施石門跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突過(guò)程中，未詳細(xì)分析瓦斯徑向流動(dòng)及鉆孔瓦斯流量衰減影響，導(dǎo)致揭煤區(qū)域煤層殘余瓦斯含量、瓦斯壓力與計(jì)算值偏差較大，該問(wèn)題將作為后續(xù)研究重點(diǎn)。