極近距離煤層群巷道瓦斯綜合治理技術(shù)

王家傳

(山西省中陽(yáng)榮欣焦化有限公司， 山西 呂梁 033000)

山西省中陽(yáng)榮欣焦化有限公司高家莊煤礦位于山西離柳礦區(qū)南部，目前主采上組煤層2#、3#、4#煤層均屬薄及中厚煤層，煤層總厚4.26 m，各煤層間距較近，部分區(qū)域煤層間距小于5 m，屬于極近距離煤層群。目前礦井正在回采一、二盤區(qū)的3#煤層。井下布置運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、軌道大巷等3條開(kāi)拓大巷，分別布置在2#、3#、4#煤層中，各巷道均沿煤層頂板施工。2#煤層賦存于山西組中部，煤層層位穩(wěn)定，厚度為0.20～2.42 m，平均為1.24 m. 3#煤層位于山西組2#煤層之下2.17～25.88 m，平均間距為9.61 m，煤層厚度為0～1.70 m，平均為1.04 m. 4#煤層賦存于山西組中下部，上距3#煤層為3.37～26.50 m，平均間距為7.14 m，煤層層位穩(wěn)定，厚度為0.10～1.89 m，平均為1.15 m. 2#、3#、4#煤層瓦斯含量8.64～11.59 m3/t，瓦斯壓力0.2～0.48 MPa，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=0.51，瓦斯放散初速度ΔP=7.10，透氣性系數(shù)為0.647 9 MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)為0.028 d-1，瓦斯抽采難易程度為中等可采。

1 極近距離煤層巷道群瓦斯治理難點(diǎn)

1) 無(wú)法采用底板巷穿層鉆孔消突。

底板巷一般選擇在煤層下法距大于7 m穩(wěn)定巖層。因?yàn)闃O近距離煤層群煤層間距小，底板巷沒(méi)有合適巖層層位。

2) 普通旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工困難。

采用順層鉆孔煤巷條帶預(yù)抽防突措施效率低，安全可靠性差。對(duì)于小于1.5 m的煤層，采用普通旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，鉆孔容易鉆底或鉆頂，施工超過(guò)80 m鉆孔困難，容易形成打鉆抽采空白帶[1]. 一個(gè)循環(huán)移運(yùn)鉆機(jī)和施工鉆孔約需一周，抽采按規(guī)定至少需要20天，效果檢驗(yàn)及抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判需要3天，共有一月為了打鉆抽采而不能掘進(jìn)；抽采達(dá)標(biāo)后，一個(gè)循環(huán)也僅能掘進(jìn)40 m，嚴(yán)重制約了掘進(jìn)進(jìn)度，且不能連續(xù)掘進(jìn)。

3) 瓦斯治理鉆孔工程量大。

除需要對(duì)本煤層消突外，根據(jù)《防治煤與瓦斯防突細(xì)則》[2]二十九條要求，在煤層法向距小于5 m區(qū)域作業(yè)，必須對(duì)煤層同時(shí)采取瓦斯抽采措施。因此，近距離煤層上下相近小于5 m施工鉆孔，鉆孔工程量成倍增加。

4) 石門揭煤多、防突管理難度大。

根據(jù)巷道布置，在東翼3條巷道中間需要施工聯(lián)絡(luò)巷，多煤層反復(fù)揭煤穿煤，工序復(fù)雜，防突管理難度大。

5) 單一煤層治理難以控制瓦斯?jié)舛取?/p>

根據(jù)對(duì)礦井瓦斯來(lái)源的分析，開(kāi)采層瓦斯涌出約占整個(gè)回采工作面瓦斯涌出的44%，鄰近層瓦斯涌出約占整個(gè)回采工作面瓦斯涌出的56%. 由此可見(jiàn)，在本煤層治理瓦斯，必須兼顧?quán)徑鼘拥耐咚怪卫韀3].

2 極近距離煤層群巷道瓦斯治理技術(shù)

定向鉆進(jìn)和普通鉆進(jìn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鉆孔控制范圍全覆蓋，消除瓦斯治理空白帶；利用定向鉆機(jī)的造斜功能和軌跡測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)定向長(zhǎng)鉆孔“一孔多用”和 “層位控制”等；研發(fā)設(shè)計(jì)全密封防噴系統(tǒng)，確保打鉆安全；實(shí)現(xiàn)分源抽采和分單元計(jì)量，滿足抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判需要；加大配風(fēng)量，提高通風(fēng)設(shè)施和通風(fēng)裝備可靠性，確保瓦斯不超限，不突出。

2.1 定向鉆孔

1) 定向鉆孔設(shè)計(jì)。

定向鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)距離長(zhǎng)、軌跡明確可控、總工程量小、抽采效果好等優(yōu)點(diǎn)[4]. 利用ZYL-6000D型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)施工，該型號(hào)鉆機(jī)體積小，性能穩(wěn)定，操作方便。在煤層底板的穩(wěn)定層中施工主孔，然后施工分支孔，再通過(guò)支孔進(jìn)入煤層。對(duì)于開(kāi)孔封孔的嚴(yán)密性要進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，并且結(jié)合注漿帶壓的方法。如果出現(xiàn)跑漿漏液的現(xiàn)象，必須要重新處理。

東軌大巷3#煤層共布置9個(gè)鉆孔(1#—7#鉆孔控制東軌大巷條帶，8#、9#鉆孔及其分支孔控制東回大巷下鄰近層、集中軌道聯(lián)絡(luò)巷、集中軌道聯(lián)絡(luò)巷上部平車場(chǎng)等輔助巷道所在區(qū)域)，其中迎頭布置1#—8#共8個(gè)鉆孔，左幫布置9#共1個(gè)鉆孔。距離4#煤層間距大于5 m的區(qū)域不再施工區(qū)域預(yù)抽孔。

東軌大巷4#煤層共布置4個(gè)鉆孔，全部布置在鉆場(chǎng)迎頭，4個(gè)鉆孔及其分支鉆孔控制東軌大巷下鄰近層4#煤層。東軌大巷迎頭施工4#煤層鉆孔時(shí)，根據(jù)4#煤層定向鉆孔層間距探測(cè)情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。3#、4#煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)圖分別見(jiàn)圖1，2.

圖1 東軌大巷3#煤層鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖2 東軌大巷4#煤層鉆孔設(shè)計(jì)圖

2) 定向鉆孔施工抽采情況。

2020年4月13日—2020年6月7日在東軌大巷施工10個(gè)3#煤層定向鉆孔(5#孔未到設(shè)計(jì)位置，增補(bǔ)1個(gè)孔)，2020年6月24日—2020年7月4日施工補(bǔ)9#鉆孔，共11個(gè)鉆孔，鉆孔工程量6 425 m；2020年6月4日—2020年7月23日，在東軌大巷施工4個(gè)4#煤層定向鉆孔，鉆孔工程量3 295 m.

2.2 定向、普通鉆進(jìn)方式結(jié)合

東翼3條大巷分別實(shí)施定向鉆孔+條帶預(yù)抽鉆孔聯(lián)合布置瓦斯抽采防突措施。各類預(yù)抽鉆孔施工完畢后，根據(jù)鉆孔實(shí)際軌跡繪制鉆孔竣工圖，當(dāng)鉆孔控制范圍不足或存在空白區(qū)域時(shí)，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，利用普通旋轉(zhuǎn)非定向鉆機(jī)補(bǔ)充區(qū)域防突措施，消除空白區(qū)域。后期工作面掘進(jìn)過(guò)程中，每10 m進(jìn)行控制頂?shù)装遴徑簩訉游坏奶綔y(cè)鉆孔設(shè)計(jì)，防止誤揭煤層。

2.3 定向鉆孔“一孔多用”

1) 準(zhǔn)確鉆進(jìn)布孔。在準(zhǔn)確控制鉆孔位置的基礎(chǔ)上，掌握瓦斯富集區(qū)，并可對(duì)此區(qū)域多開(kāi)分支多抽采。2) 探測(cè)層位構(gòu)造和煤層賦存。東軌大巷定向預(yù)抽鉆孔施工中每50 m分別向頂板、底板探一次層間距，及時(shí)分析煤層產(chǎn)狀及賦存變化情況，及時(shí)調(diào)整鉆孔施工參數(shù)，精準(zhǔn)地質(zhì)防止后期掘進(jìn)誤揭煤。3) 利用抽采鉆孔作為探放水鉆孔，不需要另行施工探放水鉆孔[5].

2.4 全密封防噴系統(tǒng)

為解決打鉆噴孔、瓦斯超限問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)出了一套抽采鉆孔瓦斯防噴預(yù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝置主要由孔口防噴裝置、瓦斯緩沖收集裝置、汽水分離器和鉆尾負(fù)壓轉(zhuǎn)換裝置組成，每個(gè)裝置獨(dú)立自成一體，又通過(guò)管路的連接相互作用相互影響形成一個(gè)整體。

定向鉆孔首先使用d113 mm鉆頭開(kāi)孔15～20 m，然后使用d153 mm和d195 mm鉆頭進(jìn)行二級(jí)擴(kuò)孔；下入6英寸封孔管注漿封孔；封孔水泥完全凝固并達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，將孔口防噴裝置前端與孔口外露封孔管使用法蘭連接?？卓诜绹娗惑w、瓦斯緩沖收集裝置、汽水分離器和鉆尾負(fù)壓轉(zhuǎn)換裝置通過(guò)管卡或法蘭連接，構(gòu)成抽采鉆孔瓦斯全密封防噴系統(tǒng)。

孔口防噴裝置頂部6英寸接口和瓦斯緩沖收集裝置采用法蘭直接連接；孔口防噴裝置底部6英寸排渣口和汽水分離器采用6英寸軟管管卡連接；瓦斯緩沖收集裝置4英寸接口和汽水分離器采用4英寸軟管管卡連接；汽水分離器頂部4英寸抽采接口和d219 mm低負(fù)壓管路通過(guò)4英寸軟管管卡連接；鉆尾負(fù)壓轉(zhuǎn)換裝置一端連接鉆尾水辮，帶閥門的另一端連接靜壓水管路；鉆尾負(fù)壓轉(zhuǎn)換裝置頂部抽采口通過(guò)2英寸抽采軟管與d219 mm低負(fù)壓管路連接。帶控制閥門的部件必須設(shè)置在施工人員容易接觸的地點(diǎn)，便于隨時(shí)打開(kāi)抽采負(fù)壓，避免瓦斯突然涌出造成超限。抽采鉆孔瓦斯防噴預(yù)控系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 抽采鉆孔瓦斯防噴預(yù)控系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)投入應(yīng)用以來(lái)，有效地遏制了打鉆噴孔瓦斯超限的發(fā)生，應(yīng)用效果良好。

2.5 分源抽采

定向鉆場(chǎng)內(nèi)鋪設(shè)有高、低負(fù)壓兩趟抽采管路，根據(jù)不同瓦斯抽采工藝及抽采瓦斯?jié)舛?，將高、低濃度瓦斯進(jìn)行嚴(yán)格分選后分別采到兩趟瓦斯抽采管路內(nèi)，避免高濃度瓦斯因與低濃度瓦斯混合而無(wú)法被利用。利用d325 mm高負(fù)壓抽采管路條帶式抽采鉆孔，d219 mm低負(fù)壓抽采管路條帶式抽采防噴系統(tǒng)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)和人工定期測(cè)量單孔瓦斯抽采濃度，及時(shí)將濃度衰減至瓦斯發(fā)電界限以下的鉆孔調(diào)整至低負(fù)壓管路，確保高負(fù)壓抽采管路瓦斯?jié)舛群土髁康姆€(wěn)定，使瓦斯電站能夠正常運(yùn)行。采用分源抽采以來(lái)，高濃度瓦斯混入低濃度抽采管路的量明顯減少，東軌大巷d325 mm高負(fù)壓抽采管路瓦斯?jié)舛缺３衷?0%左右，地面泵站高負(fù)壓泵瓦斯抽采濃度保持在10%以上，實(shí)現(xiàn)瓦斯電站正常運(yùn)行，解決了以往有瓦斯而不能被利用的問(wèn)題。

2.6 分單元計(jì)量

利用三通將d325 mm高負(fù)壓抽采管路分成兩趟，分別安裝孔板和V錐流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)3#、4#煤層定向鉆孔的分單元計(jì)量，精準(zhǔn)確定瓦斯來(lái)源，為瓦斯抽采效果評(píng)判提供可靠計(jì)算依據(jù)。

2.7 提高通風(fēng)管理可靠性

1) 巷道防突風(fēng)門采用防逆風(fēng)無(wú)壓平衡風(fēng)門，強(qiáng)度大，開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制。2) 使用鐵質(zhì)分風(fēng)器替換原來(lái)的布質(zhì)分風(fēng)器。以往井下局部通風(fēng)機(jī)配套使用的分風(fēng)器為布質(zhì)分風(fēng)器，耐壓不高、經(jīng)常撕裂短路風(fēng)量，而鐵質(zhì)分風(fēng)器耐風(fēng)壓強(qiáng)，杜絕了停風(fēng)現(xiàn)象。3) 設(shè)計(jì)過(guò)膠帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)防逆風(fēng)裝置，滿足防突防逆流需要。

3 瓦斯綜合治理成效

3.1 實(shí)現(xiàn)安全

截至2020年8月19日東軌大巷定向鉆孔覆蓋區(qū)域首次開(kāi)始取樣評(píng)判，東軌大巷定向鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：2020年4月20日—2020年8月19日，東軌大巷3#煤層累計(jì)抽采瓦斯330 828.2 m3；2020年6月8日—2020年8月19日，東軌大巷4#煤層累計(jì)抽采瓦斯151 324.6 m3，抽采達(dá)標(biāo)。

自2020年8月連續(xù)掘進(jìn)3個(gè)月，東軌大巷安全掘進(jìn)210 m，巷道瓦斯?jié)舛染?.3%以下，無(wú)超限和動(dòng)力現(xiàn)象。

3.2 縮短治理周期

東軌大巷3#、4#煤定向鉆孔控制條帶長(zhǎng)度320 m，并通過(guò)普通鉆孔彌補(bǔ)定向鉆孔開(kāi)孔至見(jiàn)煤段的空白區(qū)域，自施工起6個(gè)月累計(jì)抽采瓦斯約90萬(wàn)m3. 如采用普鉆消突，不含掘進(jìn)320 m時(shí)間，至少需要8個(gè)月，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

3.3 節(jié)約鉆孔

使用定向鉆孔代替地質(zhì)超前探孔對(duì)層位進(jìn)行探測(cè)。以每80 m探3個(gè)200 m鉆孔計(jì)算，一個(gè)定向鉆場(chǎng)能夠節(jié)省地質(zhì)鉆孔800 m，節(jié)約工時(shí)4～6天。

3.4 瓦斯得到利用

抽采濃度大幅度提高，瓦斯利用量增加。平均每月抽采瓦斯純量15萬(wàn)m3，抽至地面泵站濃度保持在10%以上，向瓦斯電站提供穩(wěn)定氣源，2020年1—9月累計(jì)發(fā)電量220萬(wàn)kWh，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益50萬(wàn)元。

4 極近距離煤層群巷道瓦斯綜合治理問(wèn)題及思考

1) 考慮密封性，加上定向鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)孔附近擾動(dòng)大，因此不宜在煤巷開(kāi)孔，應(yīng)在煤層底板開(kāi)孔，利用鉆桿彎曲橈度，進(jìn)入煤層。出現(xiàn)串孔現(xiàn)象，必須重開(kāi)分支，避免串孔泄漏瓦斯。

2) 大于5 m且小于10 m的鄰近層，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)抽采鉆孔，可以不按照防突設(shè)計(jì)，根據(jù)抽采能力，設(shè)計(jì)3～5個(gè)鉆孔，以減少鄰近層瓦斯對(duì)掘進(jìn)工作面的影響。

3) 對(duì)于小于5 m鄰近層也要消突，《防突細(xì)則》要求控制范圍相同，但是鄰近層無(wú)巷道邊緣，以何處為邊界控制尚不明確。

4) 在薄煤層中施工時(shí)，盡量避免鉆孔進(jìn)入頂?shù)装?，如有此情況，必須要用普鉆補(bǔ)鉆。開(kāi)孔附近60～100 m，定向鉆機(jī)鉆孔無(wú)法覆蓋區(qū)域必須用普鉆補(bǔ)鉆。而《防突細(xì)則》對(duì)于定向長(zhǎng)鉆孔煤巷條帶措施中，容易出現(xiàn)覆蓋不到的區(qū)域，采用普鉆補(bǔ)充抽采時(shí)間等沒(méi)有相關(guān)要求。

5) 采用定向長(zhǎng)鉆孔覆蓋聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域，這些聯(lián)絡(luò)巷在揭煤時(shí)屬于順層鉆孔消突，與傳統(tǒng)揭煤穿層鉆孔不同，《防突細(xì)則》對(duì)此未涉及。

5 結(jié) 論

對(duì)于極近距離煤層群，采取以定向鉆進(jìn)為主的瓦斯綜合治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔施工、巷道掘進(jìn)、聯(lián)絡(luò)巷連續(xù)揭煤瓦斯無(wú)超限，降低了抽采周期，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤層瓦斯的超前控制。對(duì)于煤層群聯(lián)合消突、抽采所存在的相關(guān)制度問(wèn)題，還需要從技術(shù)層面進(jìn)一步研究探討、規(guī)范完善。