長鉆孔跨區(qū)段預抽石門揭煤區(qū)域瓦斯治理技術(shù)

羅 飛，龍聲德

(貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司， 貴州 六盤水 553000)

在煤炭開采過程中，突出煤層石門揭煤是比較危險的環(huán)節(jié)，若采取的綜合措施不到位，極有可能誘發(fā)煤與瓦斯突出。據(jù)統(tǒng)計，石門揭煤突出的平均強度為其他各類巷道平均煤與瓦斯突出強度的 6 倍以上，80%以上的千噸級及其以上特大型突出都發(fā)生在石門揭煤過程[1]. 因此，國內(nèi)多學者對突出煤層石門揭煤防突技術(shù)進行了研究。曹佐勇、王恩元等[2]通過立體式、全覆蓋鉆孔布置方式,同時采用鉆孔全程下套管,“兩堵一注”水泥帶壓封孔瓦斯抽采技術(shù),防止揭煤區(qū)域出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶, 保障了石門揭煤安全。徐好哲[3]對馮營礦2415車場石門揭煤區(qū)域進行抽采，煤層瓦斯含量大幅降低，保證了安全揭煤。石門揭煤前預抽煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力、減小煤層瓦斯含量, 是目前最有效的消除揭煤期間煤層突出危險性的措施[4]. 針對松河煤礦石門揭煤區(qū)域瓦斯治理難題，提出采用長鉆孔跨區(qū)段預抽方法，以實現(xiàn)采掘活動區(qū)域內(nèi)瓦斯防治及抽采達標，提高石門揭煤工作安全系數(shù)。

1 概 況

貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司松河煤礦坐落于貴州省六盤水市盤州市雞場坪鎮(zhèn)松河鄉(xiāng)，井田走向長14.5 km，傾斜寬2.2 km，面積為32.6 km2，設計生產(chǎn)能力2.4 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井。2020年礦井絕對瓦斯涌出量115.73 m3/min,礦井相對瓦斯涌出量49.46 m3/t. 132區(qū)段兩條石門共需要揭煤13層，其中可采煤層為5層，均具有突出危險性。

131運輸石門，長950 m，標高+1 600 m，已于2012年掘進到位,形成全負壓通風系統(tǒng)，石門掘進過程中穿過了32#-1#煤層，平均每月掘進34 m. 132區(qū)段石門，標高+1 500 m，分為132運輸石門及132專用回風石門，兩條石門平距相差20 m，高差5 m，需揭穿煤層的瓦斯含量為7.2～18.39 m3/t. 132運輸斜巷從131運輸石門尾開口，沿3#煤層頂板施工至132區(qū)段石門標高。

2 瓦斯治理技術(shù)

利用可以施工穿層鉆孔達到200 m以上的大功率、大扭矩鉆機，從132運輸斜巷鉆場內(nèi)施工瓦斯抽采鉆孔控制132區(qū)段石門揭煤范圍內(nèi)的煤層。

2.1 預抽區(qū)段煤層瓦斯技術(shù)方案

1) 在132運輸斜巷合適位置按照間距40 m施工1個鉆場，鉆場中設計21—28個鉆孔，鉆孔終孔控制在石門輪廓線左右兩幫20 m. 2) 利用ZDY-4600LX型全液壓履帶式坑道鉆機施工鉆孔至132區(qū)段石門需要揭開的煤層區(qū)域，鉆孔d94 mm，配套鉆桿長750 mm. 3) 鉆孔施工完畢后，向孔內(nèi)下入雙層套管(雙層套管外管用于瓦斯抽采，內(nèi)管用于定期對鉆孔內(nèi)的積水進行排放，保證鉆孔暢通)，雙層套管外管直徑50 mm，內(nèi)管直徑25 mm，且在穿過煤層段的套管外管為篩管，其余套管均為實管。4) 采用囊袋配合速凝劑“兩堵一注+帶壓注漿”封孔工藝[2]，封孔長度不得小于20 m，機械封孔壓力不得小于4 MPa. 5) 鉆孔封孔完畢后，與抽采系統(tǒng)連接進行抽采，并連接壓風吹水裝置用于日常吹排水。封孔示意圖見圖1.

圖1 封孔示意圖

2.2 鉆孔設計

由《貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限公司煤層瓦斯抽放半徑測定報告》可知，各可采煤層的抽采半徑為5～7 m，按抽采半徑5 m布置鉆孔。1#、2#、3#、5#鉆場在右側(cè)幫上均勻布置3排鉆孔，每排7個，間排距500 mm×500 mm；4#鉆場在右側(cè)幫上均勻布置4排鉆孔，每排7個，間排距500 mm×500 mm，平均終孔間距5 m. 鉆孔設計情況見表1.

表1 鉆孔設計情況表

在132運輸斜巷共設計5個鉆場，鉆場深4.5 m×寬5 m×高3.2 m. 共設計112個鉆孔控制132區(qū)段石門1#至13#煤層揭煤區(qū)域，控制巷道上下幫各15 m，巷道兩幫輪廓線外20 m范圍，總工程量14 642 m. 鉆孔設計見圖2.

2.3 鉆孔施工情況

2020年3月1日—2020年6月15日，按照設計共施工了5個鉆場149個鉆孔，其中補孔37個，總工程量17 960 m，總用時106 d，施工用時98 d[3]，圓班平均進尺183 m，5個鉆場所有鉆孔均按設計施工，鉆孔進尺超額完成3.2%. 抽采鉆孔施工對比見表2.

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯含量大幅度降低

由《貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責任公司采區(qū)防突專項設計》中各煤層不同標高含量預測結(jié)果表可知，采三區(qū)各煤層原始瓦斯含量最低7.20 m3/t，最高為18.39 m3/t,大部分煤層均具有突出危險性。當主管濃度小于10%時，實測132石門下區(qū)段范圍內(nèi)各主要煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，抽采前后煤層瓦斯含量對比見表3. 由表3可知，長鉆孔跨區(qū)段預抽石門揭煤區(qū)域瓦斯治理技術(shù)的防突效果較好，降低煤層突出危險性系數(shù)。

圖2 132區(qū)段石門瓦斯治理鉆孔設計圖

表2 抽采鉆孔施工對比表

表3 各煤層瓦斯含量抽采前后對比結(jié)果表

3.2 瓦斯利用率提高

每個鉆場采用10英寸管作為支管連接至132運輸斜巷內(nèi)的14英寸主管，每根支管上連接1個分流器，每個分流器連接3—4根4英寸分流管和1個自動放水器。從2020年6月15日鉆孔施工結(jié)束到2020年11月12日共計量抽采150天，每10天對抽采情況進行考察，同每個鉆場支管及主管上計量裝置計量相比，誤差不超過5%. 抽采過程中單孔孔口負壓13～19 kPa，單孔瓦斯?jié)舛?5%～60%,平均抽采濃度22.7%，總瓦斯抽采純量82.58萬m3，日均抽采純量55 053.3 m3，抽采純量達到4.83 m3/min，日均發(fā)電量12 113.64 kW·h. 瓦斯抽采總純量與抽采時間關(guān)系見圖3.

圖3 瓦斯抽采總純量與抽采時間關(guān)系圖

3.3 揭煤時間縮短

突出煤層石門揭煤常規(guī)方法是采用在距離煤層法向距7 m前停止工作面掘進，施工區(qū)域防突鉆孔對所揭煤層瓦斯進行預抽，經(jīng)效果檢驗無突出危險后恢復掘進并揭煤。131運輸石門掘進總時間長達28個月，其中18個月的時間為施工鉆孔預抽瓦斯時間，瓦斯抽采時間占總周期的64%. 通過長鉆孔跨區(qū)段施工穿層鉆孔對揭煤區(qū)域煤層瓦斯進行抽采后，132石門掘進進尺140 m，揭煤6層，掘進用時2個月，平均每月進尺70 m，掘進速度和工效得到明顯提高。

4 長鉆孔跨區(qū)段預抽石門揭煤區(qū)域瓦斯治理優(yōu)點

1) 區(qū)段預抽的長鉆孔可以在石門揭煤期間實現(xiàn)連續(xù)抽采，減少揭煤期間因應力變化等造成瓦斯向工作面涌出。

2) 有充足時間和空間來布置抽采鉆孔，有較長的時間對揭煤區(qū)域的瓦斯進行預抽，實現(xiàn)了對石門揭煤區(qū)域瓦斯超前治理。

3) 遠距離長鉆孔同時對多層煤層瓦斯進行預抽，提高鉆孔利用率及瓦斯抽采濃度，高濃度瓦斯可以用于瓦斯發(fā)電等，為礦井創(chuàng)造直接經(jīng)濟利益。

4) 長鉆孔進入石門掘進前方的煤巖體內(nèi)，促進了鉆孔周圍煤層的局部卸壓，鉆孔強化瓦斯抽采降低了煤體瓦斯內(nèi)能和彈性潛能，減小煤體地應力，增強煤體強度，以有效消除煤層突出危險性。

5 結(jié) 語

通過實施跨區(qū)段長鉆孔對鄰近區(qū)段石門揭煤區(qū)域煤層瓦斯預抽后，煤層瓦斯含量大幅度下降，減少了在距離煤層7 m法向距前向煤層實施區(qū)域防突措施所需的鉆孔工程，縮短了煤層預抽瓦斯達標時間，為礦井準備巷道的形成及生產(chǎn)系統(tǒng)的布置贏得時間，對提高石門揭煤速度，降低石門揭煤危險性有著重大意義。