低位鉆場穿層預(yù)抽技術(shù)在突出厚煤層石門揭煤中的應(yīng)用

李臣武

（貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550023）

我國煤與瓦斯突出多發(fā)生于石門揭煤和煤巷掘進(jìn)過程中[1]，石門揭煤突出危險性最大，突出強(qiáng)度最高[2]，石門揭煤技術(shù)，注重鉆孔預(yù)抽和支護(hù)，部分技術(shù)雖然可行，但預(yù)抽和揭煤時間長，工序復(fù)雜，瓦斯治理和揭煤成本高。高瓦斯壓力、高瓦斯含量厚煤層的揭煤，預(yù)抽鉆孔穿煤距離較長，俯孔施工排渣困難，噴孔堵孔嚴(yán)重，甚至造成廢孔，容易造成局部區(qū)域抽采不達(dá)標(biāo)。松河礦1390 軌道石門巷道掘進(jìn)期間需揭17+18 號煤層，17+18 號煤層瓦斯預(yù)抽成為揭煤的關(guān)鍵。

1 工程概況

松河礦1390 軌道石門位于一采區(qū)二區(qū)段，石門開口標(biāo)高為+1390 m，石門需揭過煤組的所有煤層，其中包括17+18 號厚煤層。在一采區(qū)17、18號煤層合并，合并厚度 6.5 m，平均傾角30°，直接頂為粉砂巖，老頂為細(xì)砂巖，底板為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，揭煤地點(diǎn)對應(yīng)地表埋深463 m。1390 軌道石門工作面距17+18 號煤層法向距離20 m 時，施工5 個探測孔，實(shí)測17+18 號煤層最大瓦斯壓力為2.12 MPa，瓦斯含量17.85 m3/t，煤層堅(jiān)固系數(shù)f 為0.29，瓦斯放散初速度ΔP為18.2，煤的破壞類型為Ⅳ類。礦井建設(shè)期間17+18 號煤層經(jīng)資質(zhì)單位鑒定為突出煤層，在一區(qū)段石門揭煤和采掘活動過程中曾發(fā)生過動力現(xiàn)象。顯然，1390 軌道石門揭煤安全風(fēng)險較大。

2 揭煤預(yù)抽方案優(yōu)選

17+18 號煤層的區(qū)域預(yù)抽有兩個方案。方案一是采用常規(guī)預(yù)抽技術(shù)，在石門工作面兩側(cè)施工耳朵鉆場，在工作面和耳朵鉆場施工穿層鉆孔對17+18號煤層進(jìn)行預(yù)抽；方案二是從工作面旁邊以負(fù)坡施工聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷工作面底板標(biāo)高低于鉆孔控制煤體下限標(biāo)高時，開始施工低位鉆場。設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔時將控制下半部分煤體的鉆孔全部調(diào)整到低位鉆場內(nèi)施工，控制上半部分煤體的鉆孔布置在石門工作面施工。方案一優(yōu)點(diǎn)是巷道工程小，缺點(diǎn)是終孔位于石門底板以下的鉆孔均為俯孔，俯孔施工排渣較為困難，打鉆容易噴孔，瓦斯預(yù)抽期間俯孔中存有大量積水和煤渣，影響抽采效果[3]；方案二優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)控制揭煤煤體的所有鉆孔全部為仰孔，利于鉆孔排渣和排水，缺點(diǎn)是需施工聯(lián)絡(luò)巷和低位鉆場，增加巷道工程。對方案一和方案二進(jìn)行綜合比較，方案二的打鉆和預(yù)抽效果較好，在技術(shù)和安全方面明顯優(yōu)于方案一，1390 軌道石門17+18 號煤層揭煤預(yù)抽選擇低位鉆場預(yù)抽方案。

3 石門揭煤瓦斯抽采工程施工

3.1 低位鉆場設(shè)計(jì)與施工

采用穿層鉆孔預(yù)抽井巷揭煤區(qū)域煤層瓦斯的，傾斜煤層穿層鉆孔至少控制揭煤處巷道輪廓線外12 m。經(jīng)計(jì)算，低位鉆場底板與石門底板高差按7 m設(shè)計(jì)，聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)長度17.21 m，坡度-24°，巷道凈寬3.5 m，凈高3.0 m，支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴，噴厚100 mm，低位鉆場設(shè)計(jì)深度5 m，凈寬4.5 m，凈高3.5 m，錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)，錨索長度8 m，間排距1.6 m×1.6 m，直徑15.5 mm，低位鉆場巷道布置如圖1。聯(lián)絡(luò)巷以-24°的坡度施工，半圓拱斷面，錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿使用長2.0 m 的樹脂錨桿，間排距800 mm×800 mm。

3.2 穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽

3.2.1 穿層鉆孔設(shè)計(jì)

通過對探測孔見煤巖情況分析得出1390 軌道石門17+18 號煤層傾角為30°，屬傾斜煤層。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》第六十四條，穿層鉆孔對預(yù)揭煤體的控制范圍不小于巷道輪廓線外12 m，同時保證控制范圍外邊緣到巷道輪廓線的最小距離不小于5 m。揭17+18 號煤層的煤體控制范圍按巷道輪廓線外12 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)鉆孔，終孔間距按4 m設(shè)計(jì)，鉆孔布置為網(wǎng)格式，總共設(shè)計(jì)12 排鉆孔，每排10 個，共120 個孔。其中控制下半部分煤體的5 排鉆孔布置在低位鉆場內(nèi)施工，控制上半部分的7 排鉆孔在石門工作面施工，所有鉆孔均按仰孔設(shè)計(jì)。穿層鉆孔布置如圖2。

3.2.2 鉆孔施工及預(yù)抽

石門工作面和低位鉆場鉆孔采用平行作業(yè)、同步施工的方式，鉆機(jī)使用ZDY-4000L 型履帶式鉆機(jī)，鉆孔直徑90 mm，采用水力排渣。第一個鉆孔選擇先施工位于最下一排靠近工作面正中的鉆孔，第一個孔施工到位后，穿透煤層后，邊清孔邊退桿，鉆桿退完后對孔內(nèi)全程安設(shè)篩孔套管，及時進(jìn)行封孔和聯(lián)管抽放，然后再按照由中間向兩幫的方式依次施工其他鉆孔。

4 工程效果分析

4.1 瓦斯預(yù)抽效果

1390 軌道石門設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔120 個，鉆孔施工工期21 d。打鉆前在石門工作面施工4 個測壓孔進(jìn)行測壓，測壓孔編號為1、2、3、4，壓力表的初始值均為0 MPa，然后壓力表讀數(shù)逐漸增大，安裝5 d后壓力表數(shù)據(jù)不再往上漲，穩(wěn)定為一個恒定值。打鉆前測定原始瓦斯壓力最大值為2.11 MPa。打鉆及瓦斯預(yù)抽期間，通風(fēng)區(qū)每隔三天安排專人到石門迎頭統(tǒng)計(jì)一次瓦斯壓力。從開始打鉆當(dāng)日起到第45天，瓦斯壓力不斷下降，第45 天4 個觀測孔的瓦斯壓力最大值為0.45 MPa。瓦斯壓力變化曲線如圖3。打鉆前工作面實(shí)測最大原始瓦斯含量為17.84 m3/t，打鉆及預(yù)抽期間每隔5 d 在石門工作面打鉆取樣實(shí)測瓦斯含量，瓦斯含量測孔每次施工4 個孔，測定設(shè)備用DGC 瓦斯含量直接測定裝置。經(jīng)過45 d 后工作面測定最大瓦斯含量為5.06 m3/t。瓦斯含量變化曲線如圖4。1390 軌道石門預(yù)抽期間地面專門調(diào)整一臺2BEC-620 型水環(huán)式真空泵（功率400 kW）對17+18 號煤層揭煤處的瓦斯進(jìn)行抽放，瓦斯泵額定抽采能力為350 m3/min，抽放主管為Ф350 mm的無縫鋼管，管道額定抽采流量51 m3/min，主管負(fù)壓為30～35 kPa。通過45 d 的觀測和統(tǒng)計(jì)，石門瓦斯管抽放瓦斯混合量為345 729 m3，抽放瓦斯純量為121 005 m3，管道平均瓦斯抽放濃度為35%。第45天測定最大殘余瓦斯含量為5.06 m3/t，小于8 m3/t，測定的最大殘余瓦斯壓力為0.45 MPa，小于0.74 MPa。瓦斯壓力和瓦斯含量均小于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定臨界值，說明揭17+18 號煤層的區(qū)域預(yù)抽措施有效。按照四位一體的防突措施要求進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，區(qū)域驗(yàn)證采用WTC 防突儀測定鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值和鉆屑量Smax值。鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1是我國煤炭行業(yè)廣泛采用的工作面突出危險性預(yù)測指標(biāo)[1-4]，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》及盤江精煤股份有限公司文件要求確定，K1值臨界值為0.4 mL/（g.min1/2），鉆屑量臨界值為5 kg/m。石門揭煤采用漸近式揭煤法，在工作面距煤層法向距離7 m、5 m、2 m 時均布置4 個探孔測定K1值和鉆屑量，煤層揭開后再按照過煤門的要求進(jìn)行測定。在整個揭煤期間K1值和鉆屑量均未超過臨界值。區(qū)域驗(yàn)證檢測指標(biāo)最大值見表1。

圖3 瓦斯壓力變化曲線圖

圖4 瓦斯含量變化曲線圖

表1 區(qū)域驗(yàn)證檢測指標(biāo)表

經(jīng)過預(yù)抽后在揭煤及過煤門期間,沒有出現(xiàn)突出檢測指標(biāo)超限現(xiàn)象，工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺３衷?.20%～0.30%，沒有出現(xiàn)過任何動力現(xiàn)象，石門掘進(jìn)安全順利通過17+18 號煤層。

4.2 規(guī)避安全風(fēng)險

采用低位鉆場+工作面施鉆預(yù)抽方式進(jìn)行抽采，水力排渣，鉆孔施工較為容易，大大降低了噴孔的強(qiáng)度，杜絕傷人及瓦斯超限事故。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，鉆孔施工及揭煤期間工作面及回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.48%，每個鉆孔都能按設(shè)計(jì)施工到位，鉆孔控制煤體均勻，抽放期間鉆孔沒有積水，提高了抽放效果，從而實(shí)現(xiàn)整個控制煤體完全消突，全面規(guī)避了揭煤過程中的安全風(fēng)險。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

施工低位鉆場穿層預(yù)抽，巷道工程增加了22.21 m，但打鉆期間沒有出現(xiàn)廢孔，孔內(nèi)沒有丟棄鉆桿，提高了抽放效果，縮短了揭煤工期。根據(jù)該礦井以前類似條件的揭煤統(tǒng)計(jì)，如一采區(qū)上區(qū)段1580 回風(fēng)石門揭17+18 號煤層，控制煤體下半部分的5 排鉆孔共有35%的廢孔率，重新施工了18 個孔，增加鉆孔工程量576 m，廢孔內(nèi)丟棄長1.5 m 的鉆桿187 根。根據(jù)企業(yè)計(jì)算井巷工程單價，聯(lián)絡(luò)巷和低位鉆場施工費(fèi)為6553 元/米，工程造價為14.6 萬元，鉆孔施工單價225 元/米，1580 回風(fēng)石門因廢孔增加576 m 鉆孔工程造價為13.0 萬元，鉆桿單價455元/根，丟棄187 根鉆桿折合8.5 萬元，1580 回風(fēng)石門廢孔及丟棄鉆孔增加費(fèi)用21.5 萬元，超過低位鉆場施工費(fèi)6.9 萬元。單純從工程直接費(fèi)用來看，低位鉆場明顯優(yōu)于工作面直接施鉆預(yù)抽的方案。另外，1390 軌道石門從工作面開始施鉆到17+18 號煤層揭煤結(jié)束的總工期為65 d，而1580 回風(fēng)石門揭17+18 號煤層的總工期共花了14 個月，1390 軌道石門采用低位鉆場預(yù)抽技術(shù)揭煤工期比計(jì)劃提前了12 個月，12 個月的時間對礦井而言能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此低位鉆場預(yù)抽揭煤從經(jīng)濟(jì)視角來看是科學(xué)合理的。

5 結(jié)論

（1）低位鉆場預(yù)抽技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了厚煤層石門揭煤鉆孔全部為仰孔，從客觀方面改變了鉆孔施工及預(yù)抽的方式，從技術(shù)設(shè)計(jì)上杜絕了俯孔施工的一系列問題，提高了抽放效果，增大單位時間內(nèi)的抽放純量，提高了管道抽放濃度，縮短了石門揭煤的工期。

（2）低位鉆場預(yù)抽技術(shù)降低了鉆孔施工難度，使鉆孔能順利穿透厚煤層，鉆孔能完全按設(shè)計(jì)施工到位，杜絕抽放盲區(qū)，提高石門揭煤的安全可靠性，為石門揭煤防突工作提供技術(shù)支撐。

（3）低位鉆場預(yù)抽技術(shù)在厚煤層揭煤工程中的應(yīng)用在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和措施適用性方面都具有科學(xué)性和合理性，具有較好的參考價值。