松軟煤層排放瓦斯鉆孔施工技術研究

＊梁 可

（晉能控股煤業(yè)集團晉圣公司 山西 048006）

1.前言

隨著礦井開采深度的增大，礦井瓦斯含量隨之增加，相應的礦井瓦斯涌出量也相應的提高。成莊礦是年產(chǎn)能達到800萬噸的高瓦斯礦井，由于局部區(qū)域瓦斯抽采不徹底，局部存在的抽采空白區(qū)仍然會存在突出危險性。2005年9月份4220工作面掘進過程中發(fā)生了兩次瓦斯動力現(xiàn)象，現(xiàn)場觀測，該工作面軟煤的層堅固性系數(shù)f值處于0.2-0.92范圍。實測該工作面突出指標均超過相應臨界值，并認定該區(qū)域在構造作用范圍以及煤層變軟地帶具有煤與瓦斯突出危險。目前該礦采取在掘進工作面迎頭施工瓦斯排放孔的方法進行局部防突，但在軟煤層中進行鉆孔施工時，常會發(fā)生噴孔、頂鉆及卡鉆等現(xiàn)象，很容易誘發(fā)煤與瓦斯突出或瓦斯超限事故發(fā)生，為避免此類問題出現(xiàn)，不得不停工進行風流稀釋，達到緩慢排放的目的，從而導致鉆孔施工效率低下，嚴重制約了掘進進度。

2.超前瓦斯排放孔的作用機理

超前排放孔是我國常用的一種防治煤與瓦斯突出的局部性措施。其適用于突出強度不大、透氣性較好、煤質較硬的突出煤層。超前鉆孔的作用有兩點：其一是引起煤體應力的重新分布，使應力集中帶向煤體深處推移；二是排放鉆孔周圍煤體的瓦斯，從而人為地在工作面前方造成一個卸壓帶，達到消除突出目的，為了弄清楚掘進工作面前方的應力情況，垂直于工作面打鉆孔，并測量K1值（見表1）。

表1 4220巷掘進過程中突出預測情況（71#橫川以里60m）

從表1中可以看出，當鉆孔進入煤體后，由于靠近工作面部分煤體已預先卸壓排放瓦斯，因此K1值變化不大且均勻，可以認為工作面前方5m為卸壓帶；當鉆孔進入4m以外的應力集中帶時，不僅K1值增加，而且常發(fā)生噴孔現(xiàn)象，這表明鉆孔引起了應力和瓦斯的急烈變化，其結果應力緩和瓦斯排放，當鉆孔進入正常應力帶后，K1值的變化又趨向平緩。

工作面前方施工多個超前鉆孔，主要目的是將工作面前方煤體的應力和瓦斯積聚帶范圍進行人為破壞，即打破煤層原有的覆存狀態(tài)，使工作面前方的應力集中區(qū)和瓦斯富集區(qū)向工作面前方更深部的區(qū)域轉移，使工作面前方形成一個明顯的卸壓安全區(qū)域?，F(xiàn)場實踐證明，只要能打進鉆，打到所要求的深度，保持足夠的孔數(shù)，做到布孔合理，是能夠預防突出的，但現(xiàn)行的鉆孔機械不能較好的滿足回采工作面打鉆工藝的要求，在布孔方面和施工組織上應嚴格要求。

3.礦井瓦斯防治情況

(1)礦井概況

成莊礦隸屬于晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部，1997年投產(chǎn)。井田位于沁水煤田東南隅，太行復背斜西翼，南北走向長9.7km，東西傾斜寬7.0km，面積63.66km2。由于在煤層淺部有地方煤礦侵入，其礦界劃分已作部分調整。受晉東南山字型構造和太行山復式背斜的控制，井田內陷落柱較多，分布無明顯規(guī)律。區(qū)內含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，平均厚141.73m，含煤10余層，煤層總厚度14.23m，可采煤層有3號、5號、9號和15號等4層。目前5號、9號和15號暫未進行開采?，F(xiàn)進行開采的3號煤層為主要可采煤層，其地質儲量為432.131Mt，可采儲量為305.435Mt，煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層厚4.75～7.15m，平均厚6.44m，占井田可采煤層總厚度的53%。煤層傾角為3°～15°，一般在10°以下。煤層經(jīng)鑒定為不易自燃煤層，煤塵也無爆炸危險性。

成莊礦現(xiàn)開采的3號煤層位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，屬全區(qū)穩(wěn)定主要可采的厚煤層，煤層厚2.92m～7.68m，平均厚度6.24m，煤塵無爆炸性，為不易自燃煤層，2017年經(jīng)瓦斯等級測定，得出的礦井瓦斯絕對涌出量406.6m3/min，相對涌出量21.51m3/t。依據(jù)實測資料，3號煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0426～0.1327d-1；3號煤層的透氣性系數(shù)為0.440981～5.972992m2/MPa2·d；根據(jù)上表分析，3號煤層屬于可以抽放煤層。成莊礦9號煤層透氣性系數(shù)λ=2.72～5.35m2/MPa2·d，15號煤層透氣性系數(shù)λ=0.11～0.18m2/MPa2·d，9號煤層平均瓦斯流量衰減系數(shù)0.32d-1；15號煤層平均瓦斯流量衰減系數(shù)0.079d-1。根據(jù)表2所示，9號、15號煤層屬于可以抽放煤層。

表2 煤層瓦斯基本參數(shù)表

(2)礦井瓦斯治理方法

該礦經(jīng)過多年瓦斯治理實踐，已形成了以“瓦斯抽采全覆蓋”“三級瓦斯治理”為技術支撐。開展地面鉆井抽采、井下遞進式模塊、條帶區(qū)域、順層密集鉆孔抽采、采空區(qū)抽采五種抽放模式作為瓦斯治理的抽采模式。

①瓦斯含量大于16m3/t的煤層，采用地面井（300m× 300m）大面積預抽煤層瓦斯，使瓦斯含量降到16m3/t以下，利用5-8年的抽采時間進行區(qū)域大面積抽采。

②瓦斯含量處于8-16m3/t的煤層，采用千米鉆機實施井下區(qū)域遞進式預抽采，實現(xiàn)1～3年的超前預抽時間。

③瓦斯含量低于8m3/t的煤層，采用邊抽邊采掘、采空區(qū)抽采等多種綜合治理措施，實現(xiàn)采前、采中和采后的多階段抽采。

(3)瓦斯治理存在的難題

隨著礦井不斷向深部延伸，煤層瓦斯含量愈來愈大，采掘工作面的需風量也越來越大，而巷道通風斷面小、回采距離長，造成回采面風量增大受到限制，致使工作面上隅角瓦斯仍時有超限。

隨著礦井采掘活動向縱深發(fā)展，煤層含氣量越來越大，回采工作面需風量越來越大，而巷道通風斷面小，回采距離長，導致回采工作面風量增加受到限制，導致工作面上的角瓦斯仍不時超標?，F(xiàn)有的“一進兩回”通風系統(tǒng)已不能適應高產(chǎn)高效的要求。同時存在采空區(qū)瓦斯突然涌出的狀況，造成盤區(qū)回風巷瓦斯超限，是礦井安全生產(chǎn)的又一隱患。

針對掘進工作面,掘進巷道時，在巷道巷幫施工抽采鉆場，實施“巷幫鉆場超前鉆孔抽采”，同時在瓦斯涌出異常地點，實施“迎頭超前鉆孔抽采”；回采工作面時，沿工作面順槽兩側根據(jù)抽放時間的長短采取加密鉆孔“順煤層鉆孔抽采”的方式進行強化抽采，利用工作面采動卸壓作用，抽放采掘工作面卸壓區(qū)瓦斯。針對該礦的巷道掘進而言，在巷道掘進之前，均采用千米鉆孔對預抽區(qū)域進行區(qū)域遞進式抽采，分析鉆孔的軌跡控制范圍，對千米鉆孔抽采的空白區(qū)進行局部加密鉆孔，實現(xiàn)強化抽采，實現(xiàn)抽采達標。但目前施工的四盤區(qū)4215、4216巷在使用2×55kW風機供風情況下，巷道長度約300m，工作面瓦斯涌出量就達到10m3/min左右，4216增加2×37kW風機后，掘進至500m左右后，因瓦斯涌出量大，工作面被迫停產(chǎn)。在采用掘進鉆場抽放、邊掘邊抽的情況下，巷口瓦斯報警仍時有發(fā)生。

4.超前瓦斯排放孔布孔情況

從排放煤層瓦斯與卸壓的觀點出發(fā)，應該偏重大直徑的鉆孔；從打鉆的工藝和安全來說，鉆孔的直徑應偏小。合理的鉆孔直徑是，既要滿足打鉆工藝的要求，又要能達到排放瓦斯，降低地應力的目的。一般認為，通常孔徑大于120mm的稱之為大直徑孔，反之稱小直徑孔。大直徑鉆孔排放瓦斯、防突效果較佳，但當小直徑鉆孔數(shù)量與長度都較多和較長時，同樣也可起到預想的防突效果。超前鉆孔效果是否明顯，取決于鉆孔的數(shù)量和鉆孔控制范圍，而鉆孔的數(shù)量多少與排放鉆孔的有效影響半徑密切相關。鉆孔的有效影響半徑是指在規(guī)定的時間內，能使煤層中突出三大因素下降到安全范圍內。

4220巷和4215巷鉆孔有效影響半徑通過實測得到：當鉆孔直徑為76mm時，有效半徑為0.5-0.75m（排放時間為5h）；當直徑為42mm時，有效影響半徑僅為0.3m（排放時間為2h）。在突出厚煤層中有些礦井采用長的超前預排鉆孔，同樣應該指出的是鉆孔布置，也就是說，煤巷在掘進全過程中，都應處在鉆孔的有效影響半徑之內，否則突出仍難以避免；同樣要想縮短排放時間，就必須加密布孔。

（1）目前該礦為縮短排放時間，根據(jù)突出預測Smax值、K1值采取相應的布孔間距，具體施工過程中嚴格按4220巷和4215巷預測指標及采取措施一覽表中要求組織施工（見表3）。

表3 4220、4215預測指標及采取措施一覽表

（2）排放孔孔深設計均為12m，排放孔間距800-1000mm，孔徑76mm，兩側邊緣孔距巷幫為0.3-0.5m，向外傾出7-12°并超出巷幫2-4m范圍，孔數(shù)根據(jù)巷道寬度確定。施工兩排或三排排放瓦斯鉆孔時，應盡量采用三花布置（如圖1所示）。

圖1 瓦斯排放孔施工示意圖

5.排放孔施工

4220巷和4215巷掘進過程中，采用ZQSJ-90/25架柱支掌式氣動（防突）鉆機和ZQS-50/300手持式氣動鉆機施工排放孔預防煤與瓦斯異常突出。采用超前排放鉆孔必須符合以下規(guī)定。

（1）超前鉆孔盡量布置在軟煤質中，若無軟煤層時布置在硬煤層的中下部。

（2）超前排放鉆孔的直徑應依據(jù)煤層瓦斯含量、排放時間等因素綜合確定，鉆孔直徑一般選取范圍是75-120mm。但工作面前方存在地質構造破壞帶或變質程度較高的軟分層時，應選取42mm的鉆孔施工。

（3）依據(jù)《防治煤與瓦斯突出細則》的相關規(guī)定，成莊礦3號煤層為緩傾斜煤層時，煤層的超前排放鉆孔控制范圍為巷道斷面輪廓線外2-4m。

（4）超前排放鉆孔的鉆孔布置數(shù)量和鉆孔間距，應依據(jù)排放鉆孔的有效影響半徑進行設計，無排放鉆孔有效影響半徑時，應依據(jù)施工經(jīng)驗進行確定，并在后續(xù)工作中進行實測考察確定。

（5）必須對超前鉆孔進行效果檢驗，若經(jīng)檢驗措施無效，應將鉆孔周邊100m范圍內的煤層均視為防突措施無效，應重新補打鉆孔或采取其它補充措施。

6.結論

由于排放鉆孔主要采用螺旋鉆桿施工，鉆孔施工過程中產(chǎn)生的煤粉是靠鉆桿上的螺紋機械旋轉而被迫向外排出，因而，為保證鉆孔施工的深度和高效鉆進，應掌握如下要點：

（1）施工前和施工過程中，要準確控制鉆孔的水平方位角和傾角，確保鉆孔沿著軟煤層中下部鉆進。由于煤質越軟，在軟煤中施工的鉆孔受周邊應力的擾動影響就會越大，受外界破壞的作用就越明顯，這也是造成易垮孔和瓦斯噴出的原因。因此，在排放鉆孔施工時，要提前對鉆孔的位置傾角做出設計，要求現(xiàn)場施工人員嚴格按設計施工。

（2）保持鉆孔連續(xù)、勻速鉆進。鉆進過程中，要保持鉆機和鉆桿水平，保證鉆桿勻速鉆進，提前預判煤粉的排出情況，存在煤粉排出不暢時，要反復抽拉鉆桿，暫停鉆桿鉆進以實現(xiàn)煤粉順利返排。

（3）鉆機定位穩(wěn)固，避免鉆機挪動或走位。螺旋鉆桿的旋轉阻力一方面來自煤渣，另一方面來自于鉆桿與孔壁的摩擦?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)鉆機的旋轉力較小時，阻力稍大即被卡住，而鉆機移動即造成螺旋與孔壁產(chǎn)生很大的摩察力，易于導致卡鉆。