鉆屑量差值法在賀西礦防突工作中的應用

劉曉偉

（山西天成元礦山安全技術咨詢有限公司，山西 太原 030000）

在我國具有煤與瓦斯突出危險性的井工煤礦當中，需要制定有針對性的區(qū)域防突措施。在具體措施的制定中，鉆屑指標法是應用最廣泛的判定方法之一。針對賀西煤礦的實際情況，對超前鉆孔有效影響半徑的計算引入了優(yōu)化后的鉆屑量差值法進行計算，準確地得出了有效半徑的數(shù)值，由此來指導瓦斯抽采參數(shù)的設定[1-3]。

1 鉆屑指標法的測定原理

鉆屑指標法是對區(qū)域性突出危險性檢測的有效方法，其中鉆屑量和鉆屑解析指標是兩個最關鍵的參數(shù)[4]。

1.1 鉆屑量的理論分析

在鉆孔施工期間，當鉆孔周圍受到?jīng)_擊地壓或瓦斯突出的影響時，鉆屑量會遠大于平常值，孔壁的煤體將激烈地涌入鉆孔內(nèi)并伴有異響。因此可以把鉆屑量作為預測瓦斯突出的敏感指標，其值大小主要受打鉆地點瓦斯含量大小、地應力狀況、煤體破壞程度的影響。同條件下，單位孔長的鉆屑量愈大，說明發(fā)生突出的可能性愈大。

1.2 鉆屑解析指標理論分析

鉆屑解析指標K 值是一個反應瓦斯解析速度變化的系數(shù)，煤樣中瓦斯分解解析速度會隨著時間的延長而減少。其中，煤體煤樣的軟硬指數(shù)和含水量是影響K 值大小的關鍵因素，它也是煤層危險傷害較大事故的判斷指標之一。瓦斯含量高，瓦斯從煤體中解析發(fā)散的速度越快，對應的K 值就越高，產(chǎn)生的事故就會危害更大。

2 鉆屑指標法現(xiàn)場測試及結果

2.1 礦井概況

賀西礦屬于山西焦煤集團，位于呂梁市柳林縣境內(nèi)，年產(chǎn)能力250 萬t/a。目前井田內(nèi)規(guī)模不大的小斷層較發(fā)育。根據(jù)本采區(qū)煤層及其頂?shù)装迩闆r，設計采用綜合機械化采煤法。

賀西礦4#煤層標高+580 m 及+580 m 以深的區(qū)域被檢測為突出危險區(qū)域。通過專業(yè)機構檢測，該區(qū)域的專業(yè)參數(shù)為：瓦斯含量最大值為13.50 m3/t，壓力為2.05 MPa，放散初速度17.2 mmHg，堅固性系數(shù)0.38。

2.2 采煤工作面鉆孔的布置

按照防突工作的正常流程，設計采用預測鉆對其突出情況進行判定。在工作面內(nèi)，每間隔15 m布置一個深度為8～10 m 的預測鉆孔，成水平排列，采用鉆屑指標法進行工作面突出危險性預測如圖1。

圖 1 采煤工作面預測鉆孔示意圖

2.3 工作面防突措施

礦井突出煤層在進行采掘前，需要對該煤層制定區(qū)域防突措施，通常使用的措施分為開采保護層和預抽煤層瓦斯兩種。在防突措施實施完畢后，再進行防突效果的驗證。

保護層開采防突：在條件滿足的前提下，最應優(yōu)先選取的防突措施。保護層開采可以使圍巖向采空區(qū)移動，在采空區(qū)上方形成自然冒落拱，使采空區(qū)下方巖體承壓膨脹形成裂隙，進而可以促進煤層瓦斯的排出，強化煤體質量硬度。因此，開采保護層不但可以有效釋放突出煤層的能量，還提高了煤層抗壓破碎能力，在突出煤層工作面的應力梯度和瓦斯壓力梯度得到控制的同時，消除了煤與瓦斯突出的危險性。

預抽煤層瓦斯防突：采用機械化設備均勻進行鉆孔，抽出突出煤層中k 值低區(qū)域的瓦斯，然后排放至低風險區(qū)域，瓦斯?jié)舛群屯咚箟毫Φ南陆?，煤體中微觀空隙變小，煤體逐步進行收縮，煤體強度逐步有所提高。保護層和突出煤層之間距離過小，在回采期之前，通過預抽煤層瓦斯降低危險性，這種措施僅應用于單一煤層或無保護層可采的突出危險煤層。

檢驗發(fā)現(xiàn)，預測指標值鉆屑解析指標K 值≥0.5，采煤工作面經(jīng)突出危險性預測為突出危險工作面。由于賀西礦保護層距離較近，本煤層不具備保護層開采的條件，故采取鉆孔（超前排放鉆孔）防突措施進行區(qū)域性防突。

3 鉆屑量差值法考察超前排放鉆孔有效影響半徑

壓降法、流量法、突出預測指標方法以及數(shù)值模擬是最常見的確定超前排放鉆孔有效半徑分析方法[5-6]。按這些方法的操作不同，又分為2 個大類，一類是現(xiàn)場測試方法，另一類是模擬測試方法。隨著科技的進步以及仿真應用程序的逐步改進，模擬測試被引用的頻次越來越多，但是無法改變現(xiàn)場測試準確性的地位。為了達到綜合性價比高的測量方法，改進應用較多的鉆屑量方法，測試2 個排放鉆孔的鉆屑量，運用均勻分布公式來計算超前鉆孔有效影響半徑。

沿工作面運輸大巷和軌道大巷共布置4 組測點，并在礦井瓦斯排放6 h 后，在測點分別使用排放鉆孔A 和排放鉆孔B，兩個鉆孔間角度呈3°～5°施工，孔間距為0.5 m，孔深為10 m，每間隔2 m 測定其鉆屑量，關鍵點數(shù)據(jù)結果見表1，并繪制鉆屑量對比示意圖，如圖2。

表1 測點鉆屑量結果

圖2 鉆屑量插值法對比分析圖

觀察圖2 發(fā)現(xiàn)，測點1～4 中，前兩個鉆孔的鉆屑值排放鉆孔A 與B 之間的差值較大，在1 kg/m左右，隨著鉆孔的深入，排放鉆孔A 與B 的鉆屑差值變小，不超過0.2 kg/m。分析認為，在6 m 之前，排放鉆孔A 主要受排放鉆孔B 的影響，從而導致鉆屑量差值較大，最大值高達1.2 kg/m。因此可以基本判斷超前排放鉆孔有效影響半徑在鉆孔深度為5～6 m ，故代入公式（1）計算：

式中：R 為有效影響半徑，m；L 為鉆孔間距，m；θ 為鉆孔傾角，（°）。

根據(jù)鉆屑量差值法計算，得出測點1～4 的超前鉆孔有效影響半徑為0.51～0.58 m?？咨钚∮? m 時，測點1～4 的鉆屑量變化率絕對值為0.8～1.3 kg/m，相對值為39.8%～40.5%，四組測點的鉆屑量降幅均超過20%。考慮工作面防突效果，確定該煤層超前排放鉆孔有效影響半徑為0.51 m。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，防突效果良好。

4 結語

賀西礦是煤與瓦斯突出礦井，4 號煤層為重點防突區(qū)域。筆者根據(jù)該礦的地質條件與現(xiàn)有的防突措施，對防突鉆孔進行了優(yōu)化調整，結果發(fā)現(xiàn)：

（1）根據(jù)煤與瓦斯突出特征，保護層開采防突和預抽煤層瓦斯是可以有效對工作面進行防突的兩種措施。由于賀西礦保護層距離較近，故選擇預抽煤層瓦斯作為本工作面的防突措施。

（2）鉆屑量指標法是檢測煤層突出的有效方法，筆者對鉆屑指標法進行了優(yōu)化，采用鉆屑量差值法對超前排放鉆孔的有效影響半徑進行測試。這樣不僅可以減少施工工序，還有利于準確性的提高。考慮到賀西礦實際條件，沿工作面運輸大巷和軌道大巷共布置4 組測點，在礦井瓦斯排放后，于每個測點分別施工排放鉆孔A 和排放鉆孔B，孔間距為0.5 m，孔深為10 m，每間隔2 m 測定其鉆屑量。

（3）在對鉆屑量進行計算后，得出測點1～4的超前鉆孔有效影響半徑為0.51～0.58 m?？咨钚∮? m 時，測點1～4 鉆屑量變化率絕對值為0.8～1.3 kg/m。4 組測點的鉆屑量降幅均超過20%，影響程度明顯?？紤]實際防突安全，確定該煤層超前排放鉆孔有效影響半徑為0.51 m。該方法對于類似礦井煤層超前排放鉆孔有效影響半徑的確定提供了借鑒參考。