突出煤層“小煤柱”瓦斯治理技術(shù)研究與應(yīng)用

馮治

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045300）

1 概 況

寺家莊礦原本采用的“以巖保煤+水力造穴”預(yù)抽煤巷條帶區(qū)域瓦斯的區(qū)域防突措施存在施工穿層鉆孔用時(shí)較長(zhǎng)、成本較高，抽放達(dá)標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)，打鉆地點(diǎn)工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)化較差等問(wèn)題，因此研究“小煤柱”瓦斯治理技術(shù)，以寺家莊礦15114工作面為研究對(duì)象。

寺家莊礦15114工作面回風(fēng)巷位于中央盤(pán)區(qū)，北部為盤(pán)區(qū)大巷，西部為15112工作面（已回采），東部為15114低位抽放巷。該掘進(jìn)工作面地面標(biāo)高927—1 115 m，工作面標(biāo)高530—600 m。15114工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 687 m，回風(fēng)巷掘進(jìn)分2個(gè)階段布置鉆孔：第一階段（前1 687 m）采用“小煤柱掘進(jìn)+以巖保煤”瓦斯治理措施；第二階段采用底抽巷“以巖保煤+水力造穴”穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。巷道布置如圖1所示。

圖1 1 51 1 4工作面回風(fēng)巷巷道布置Fig.1 15114 working face return air roadway layout

2 瓦斯防治措施及效果

15114工作面回風(fēng)巷第一階段（前1 687 m）采用“小煤柱+以巖保煤”瓦斯治理措施，15114低位抽放巷穿層鉆孔只預(yù)抽15114回風(fēng)巷以及東側(cè)15 m范圍內(nèi)瓦斯，西側(cè)10 m范圍內(nèi)用小煤柱瓦斯治理措施代替鉆孔預(yù)抽措施。

（1）小煤柱瓦斯治理措施。15114工作面回風(fēng)巷布置在鄰近15112采空區(qū)卸壓區(qū)域內(nèi)，15114工作面回風(fēng)巷西側(cè)煤柱與15112采空區(qū)寬度為10 m，該10 m范圍內(nèi)不施工區(qū)域措施鉆孔，在15114工作面回風(fēng)巷以及東側(cè)15 m范圍內(nèi)施工區(qū)域鉆孔，通過(guò)測(cè)試的區(qū)域含量、局部K1值、掘進(jìn)期間風(fēng)流瓦斯、是否存在動(dòng)力現(xiàn)象等數(shù)據(jù)分析該工藝的實(shí)用性。

（2）以巖保煤瓦斯治理技術(shù)。在低位抽放巷（距15號(hào)煤層頂板上方7～15 m，與回風(fēng)巷水平距離5～15 m）施工穿層鉆孔和機(jī)械造穴鉆孔，預(yù)抽煤巷及見(jiàn)煤點(diǎn)輪廓線外15 m范圍瓦斯，每4 m布置一組兩列5個(gè)機(jī)械造穴鉆孔。造穴設(shè)備從ZDY7200LX型液壓履帶鉆機(jī)配套BLY-800/2型礦用履帶泥漿泵車(chē)逐步升級(jí)為“大直徑鉆頭、大扭矩鉆機(jī)、大流量泵車(chē)”本煤層鉆孔成套技術(shù)裝備，使用ZDY10000LX型液壓履帶鉆機(jī)，配套YB-1200/10型泥漿泵車(chē)和φ550 mm可變徑機(jī)械擴(kuò)孔裝置。鉆孔開(kāi)孔直徑為133 mm，見(jiàn)煤后0.5 m后機(jī)械擴(kuò)孔裝置打開(kāi)進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔期間使用1 200 m3/min大流量泥漿泵進(jìn)行排渣，成孔后使用空氣壓縮機(jī)（壓力為1.5 MPa以上）對(duì)鉆孔進(jìn)行吹水、排渣。按1∶1.2的水灰比進(jìn)行“一堵一注”封孔，封孔段不少于6 m。連抽裝置為專(zhuān)用“U”型卡、2寸三通、高壓連接裝置，留設(shè)觀測(cè)嘴和吹水嘴，便于連抽后將鉆孔內(nèi)的積水吹出。

2.1 區(qū)域防突措施布置情況

2.1.1 措施情況

15114低位抽放巷鉆孔布置剖面圖、15114低位抽放巷鉆孔布置如圖2、圖3所示。

圖2 1 51 1 4低位抽放巷鉆孔布置剖面圖Fig.2 15114 low drainage roadway drilling layout section

圖3 1 51 1 4低位抽放巷鉆孔布置Fig.3 15114 lowdrainage roadway drilling layout

15114工作面低位抽放巷穿層鉆孔每組共布置5個(gè)鉆孔，每組鉆孔間距為4 m，區(qū)域預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)鉆孔每10組（40 m）取一次，2號(hào)、4號(hào)為含量孔，目前巷道已抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判800 m，區(qū)域最大預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)原始瓦斯含量7.26 m3/t，均不超標(biāo)，說(shuō)明鄰近采空區(qū)處于整體卸壓、無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域。

2.1.2 工程施工情況

鉆孔和擴(kuò)孔一體化作業(yè)，鉆桿連接機(jī)械擴(kuò)孔裝置和鉆頭進(jìn)行鉆孔作業(yè)，鉆孔到擴(kuò)孔位置，調(diào)整泵的流量，機(jī)械擴(kuò)孔裝置刀臂打開(kāi)（打開(kāi)直徑550 mm）進(jìn)行擴(kuò)孔（擴(kuò)孔長(zhǎng)度5 m）。擴(kuò)孔完畢后，將泵車(chē)檔位調(diào)整至最大流量，利用1 200 L/min大流量水沖洗鉆孔3～5 min進(jìn)行排渣，最后鉆孔封孔接入抽采系統(tǒng)。若鉆孔內(nèi)積水積滿時(shí)，利用排水裝置進(jìn)行排水。

鉆孔連接順序：封孔管內(nèi)伸入直徑16 mm膠管—孔口安裝PE直通—安裝帶有風(fēng)管接頭和觀測(cè)銅嘴的彎頭—連接抽放軟管（接頭安裝管卡）和直徑10 mm水管—抽放軟管連入集氣裝置，水管連入管排。

排水順序：關(guān)閉集氣裝置控制閥門(mén)—打開(kāi)集氣裝置放水閥門(mén)泄壓—打開(kāi)連接鉆孔的管排閥門(mén)—鉆孔內(nèi)膠管注入壓風(fēng)，積水經(jīng)過(guò)封孔管流入集氣裝置內(nèi)—放水閥門(mén)排水。

2.2 局部防突措施布置情況

巷道正前單排布置5個(gè)預(yù)測(cè)孔，孔深10 m，若預(yù)測(cè)K1值不超標(biāo)，正常掘進(jìn)7.2 m；若K1值超標(biāo)，則布置17個(gè)深度15 m的排放孔。2020年9月到12月，回風(fēng)巷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)88次，均不超標(biāo)，K1值最大為0.4。15114回風(fēng)巷局部措施布置如圖4所示。

圖4 1 51 1 4回風(fēng)巷預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)示意圖Fig.4 15114 forecast schematic diagram of return airway

2.3 掘進(jìn)期間風(fēng)流瓦斯情況

15114工作面回風(fēng)巷全風(fēng)壓實(shí)際進(jìn)風(fēng)量1 287 m3/min，全風(fēng)壓實(shí)際回風(fēng)量1 291 m3/min，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量623 m3/min。單孔出煤量達(dá)到3～5 t，瓦斯抽采濃度和抽采量是普通下行鉆孔的1.2～1.5倍。掘進(jìn)期間，煤頭瓦斯?jié)舛茸畲?.51%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲?.46%，平均0.2%，日均瓦斯涌出量為0.6～2.8 m3/min，總體上掘進(jìn)期間巷道風(fēng)流瓦斯較低，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量較低。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果和效益

（1）15114回風(fēng)巷采取“小煤柱掘進(jìn)+穿層鉆孔”瓦斯治理措施后，15114低位抽放巷減少施工穿層鉆孔604個(gè)，減少煤段進(jìn)尺9 060 m（每米單價(jià)50元），巖段進(jìn)尺13 590 m（每米單價(jià)165元），減少封孔個(gè)數(shù)604個(gè)（封孔單價(jià)380元），節(jié)省資金292.487萬(wàn)元；由原來(lái)2個(gè)回采工作面間距30 m的煤柱優(yōu)化為10 m的煤柱，回采期間可以多采20 m煤柱的煤，約增加回采煤量106 304 t（每噸單價(jià)450元），增加資金4 783.68萬(wàn)元。累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益5 076.167萬(wàn)元。

（2）15114回風(fēng)巷采用該工藝后每月單進(jìn)151 m/月，最高單進(jìn)182 m/月，有效解決采掘銜接緊張問(wèn)題，充分釋放礦井產(chǎn)能，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，為突出煤層巷道的安全、快速掘進(jìn)找到一條新方法。

4 結(jié) 論

（1）掘進(jìn)進(jìn)度顯著提高。15114工作面回風(fēng)巷平均每月單進(jìn)151 m/月，最高單進(jìn)182 m/月，日進(jìn)度最高9 m。

（2）防突效果有效。15114工作面回風(fēng)巷共預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)88次，均不超標(biāo)，K1值最大為0.4。

（3）抽采效果明顯。單孔出煤量達(dá)到3～5 t，瓦斯抽采濃度和抽采量是普通下行鉆孔的1.2～1.5倍。

（4）掘進(jìn)期間瓦斯控制效果有效。掘進(jìn)期間，煤頭瓦斯?jié)舛茸畲?.51%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲?.46%，平均0.2%，日均瓦斯涌出量為0.6～2.8 m3/min，總體上掘進(jìn)期間巷道風(fēng)流瓦斯較低，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量較低。

（5）技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益客觀?；夭善陂g可以多采20 m煤柱的煤，約增加回采煤量106 304 t（每噸單價(jià)450元），增加資金4 783.68萬(wàn)元。累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益5 076.167萬(wàn)元。