松軟、低透氣及底板易變形煤層瓦斯治理實踐

梁 謙

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000）

晉城礦區(qū)部分礦井15#煤層具有煤質(zhì)松軟、低透氣、底板易變形等特點(diǎn)，為礦井瓦斯治理帶來很大難度。一是巷道掘進(jìn)期間松軟煤層易片幫，片幫煤體瞬時涌出瓦斯，常出現(xiàn)瓦斯超限事故；二是施工抽采鉆孔過程中，遇軟煤出現(xiàn)的壓鉆及塌孔現(xiàn)象時有發(fā)生，且煤層低透氣性造成抽放效果差；三是煤層的鋁土質(zhì)泥巖底板遇水易膨脹變形，構(gòu)筑的永久密閉墻體常出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致密閉墻發(fā)生漏風(fēng)及外涌瓦斯等隱患，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。

針對晉城礦區(qū)15#煤層上述共性問題，晉城礦區(qū)寺河煤礦研究提出了瓦斯治理相應(yīng)措施，取得良好效果。

1 15#煤層工程概況

寺河煤礦二號井隸屬于晉煤集團(tuán)，核定生產(chǎn)能力1.8Mt/a，主要開采9#、15#煤層，屬于高瓦斯礦井。15號煤層位于太原組下部，煤厚1.97～3.84m，平均2.66m，全區(qū)可采。一般含夾石1～2層，局部3～4層，夾石厚度在0.60m以下，結(jié)構(gòu)屬較簡單—復(fù)雜。煤層直接頂板為K2灰?guī)r，厚度9m左右。偽頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，偶為粉砂巖。底板以黑灰色泥巖、鋁土質(zhì)泥巖為主。煤層在局部地段存在煤質(zhì)變松軟現(xiàn)象，變松軟厚度0.20～0.80m。原始瓦斯含量6.23～7.15m3/t，瓦斯壓力0.25～0.42MPa，透氣性系數(shù)為1.01～2.05m2/(MPa2?d)，平均 1.53m2/(MPa2?d)；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.040～0.101d-1，平均0.071d-1，屬較難抽放—可以抽放煤層。

2 15#煤層掘進(jìn)巷道遇松軟煤層瓦斯治理

為防止因軟煤片幫出現(xiàn)的瓦斯超限事故，需從兩方面著手解決，一方面是減少軟煤層中瓦斯含量，另一方面是預(yù)防煤體片幫。

2.1 松軟煤層施工瓦斯排放鉆孔

掘進(jìn)區(qū)域經(jīng)過有效預(yù)抽后，在掘進(jìn)巷道遇軟煤期間，應(yīng)補(bǔ)充施工瓦斯排放鉆孔，減少軟煤中瓦斯含量。

瓦斯排放鉆孔的效果是否明顯，取決于鉆孔孔徑和鉆孔有效影響半徑，鉆孔直徑越大，其有效影響半徑越大，排放瓦斯能力越強(qiáng)。通常鉆孔有效影響半徑為鉆孔直徑的4～5倍，當(dāng)鉆孔孔徑為75mm時，有效影響半徑0.4～0.5m。鉆孔施工長度一般為10m。

如圖1示，礦井在生產(chǎn)實踐過程中軟煤層內(nèi)瓦斯排放鉆孔直徑75mm，鉆孔布置間排距0.4m，鉆孔深度10m，排放時間不少于4h。鉆孔使用錨桿鉆車或手持式風(fēng)動鉆機(jī)進(jìn)行施工，水排渣工藝。需要特別注意的是，15#煤層一般為Ⅱ類自燃煤層，采用風(fēng)排渣工藝存在著火隱患。

圖1 15#煤掘進(jìn)面瓦斯排放孔布置示意圖

2.2 強(qiáng)化支護(hù)預(yù)防煤體片幫措施

15#煤掘進(jìn)面處于上覆3#、9#煤層實體煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域或鄰近貫通點(diǎn)（距貫通點(diǎn)小于等于10m）時，掘進(jìn)面松軟煤層易片幫，應(yīng)強(qiáng)化支護(hù)方式，預(yù)防煤體片幫。

采取縮小巷道支護(hù)排距，排距由1.4m/排縮小至1m/排；縮短巷道支護(hù)距離，頂、幫錨桿緊跟掘進(jìn)面及時支護(hù)，即掘一排支一排，最大空頂距不超過1.6m，最小控頂距不超過0.6m。

3 15#煤層提高抽采鉆孔成孔率及效果的措施

15#煤層采面主要采取順層鉆孔治理本煤層瓦斯，生產(chǎn)過程中，通過改進(jìn)施鉆工藝、鉆具及封孔工藝，提高鉆孔成孔率及抽采效果。

3.1 改進(jìn)施鉆工藝

（1）鉆孔方向。施工順層鉆孔時宜施工上行鉆孔，利于排渣。施工下行孔時，孔內(nèi)鉆屑排泄不暢，孔內(nèi)容易積水，對成孔質(zhì)量影響較大。

（2）鉆機(jī)及鉆具的選擇。在軟煤層內(nèi)施工鉆孔時，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)速快的鉆機(jī)，選擇螺旋鉆桿或三棱鉆桿，便于施鉆煤粉順利排出，能有效提升鉆孔施工長度，減少壓鉆事故率。寺河煤礦二號井使用ZDY4000LP型液壓鉆機(jī)配套73mm×1.5m螺旋鉆桿，在15#煤層回采面施工孔徑94mm的本煤層順層鉆孔平均長度180m，抽采鉆孔可覆蓋回采面傾向長度。

（3）施鉆工藝。使用鉆孔二次套孔工藝，順層鉆孔施工到位后，重新對成孔后鉆孔進(jìn)行一次套孔施工，防止堵孔；使用清水施工順層鉆孔，杜絕使用施鉆循環(huán)水，防止循環(huán)水中的固相顆粒在鉆孔施工中結(jié)合煤渣堵塞鉆孔；在應(yīng)力集中區(qū)施工順層鉆孔時，推薦使用全孔段下篩孔管的護(hù)孔工藝。

3.2 改進(jìn)封孔工藝

15#煤順層鉆孔使用“兩堵一注”封孔工藝，如圖2所示，使用Ф50mm封孔管，封孔深度8m，封孔段長度7m，其中囊袋注漿長度2m，囊袋間注漿長度5m，囊袋及囊袋間(二次注漿段)注漿壓力均為1MPa。注漿材料使用高標(biāo)號水泥、水玻璃、速凝劑及水，在一定的配比下，使封孔材料有一定的膨脹變形，保證封孔嚴(yán)密。

通過加長順層鉆孔封孔長度，有效提升了順層鉆孔孔口壓力，孔口壓力保持在15～17kPa。

圖2 “兩堵一注”封孔工藝示意圖

3.3 抽采效果對比

寺河煤礦二號井151308采面和153301采面均位于15#煤層，傾向長度一致，均采用本煤層順層鉆孔抽采瓦斯。

未采取上述措施前，151308采面順層鉆孔平均長度100～130m，平均瓦斯抽采濃度5%～18%，平均瓦斯抽采純量3.09m3/min，經(jīng)過6個月抽放，抽放總量72.5萬m3。

通過在153301采面改進(jìn)施鉆及封孔工藝后，153301采面順層鉆孔平均長度150m，平均瓦斯抽采濃度27%～33%，平均瓦斯抽采純量6.83m3/min，經(jīng)過6個月抽放，抽放總量181.8萬m3。見下表1。

4 15#煤層易底臌區(qū)永久密閉施工方法

15#煤層易底臌區(qū)永久密閉施工方法：一是永久密閉底部墻體基礎(chǔ)采用龍骨地梁結(jié)構(gòu)；二是永久密閉墻體采用磚墻—黃土—磚墻耐爆型防火密閉墻。

表1 抽采效果對比

圖3 抽采純量對比曲線圖

圖4 抽采濃度對比柱狀圖

4.1 龍骨地梁結(jié)構(gòu)

永久密閉墻體底部基礎(chǔ)采用龍骨地梁結(jié)構(gòu)，即鋼龍骨澆注混凝土方式，如圖5所示，具體為：

（1）底部掏槽：深度600mm，寬度1800mm，并接實幫。

（2）龍骨分為上下兩層，采用工字鋼結(jié)構(gòu)，下層使用16#工字鋼3根，每根長度4500mm，橫排布置于溝槽內(nèi)，排間距1100mm，上層使用16#工字鋼3根，每根長度1500mm，豎排布置于下層工字鋼上，排間距1500mm，上層與下層工字鋼連接處，使用8#的鐵絲4股進(jìn)行十字交叉捆綁，確保下層與上層工字鋼連接穩(wěn)固。

（3）龍骨安裝好后，在龍骨內(nèi)澆注混凝土，澆注高度為400mm（高出龍骨100mm），混凝土比例水泥∶黃沙∶石子=1:2:4，混凝土要澆注嚴(yán)密實在。

4.2 耐爆型防火密閉墻

磚墻—黃土—磚墻耐爆型防火密閉墻如圖6所示，具體為：

（1）墻體結(jié)構(gòu)：磚墻—黃土—磚墻耐爆型防火密閉墻分為外墻、內(nèi)墻和黃土夾層，內(nèi)、外墻體厚度分別為500mm，兩墻之間充填500mm厚被搗實的黃土夾層。

施工時，先砌內(nèi)墻，內(nèi)墻施工完畢后，一邊施工外墻，一邊充填黃土，黃土夾層要夯實。在密閉墻距頂板大于400mm時，要向下將黃土層搗實；在密閉墻距頂板小于400mm時，要向側(cè)面將黃土層搗實。

（2）墻體留設(shè)管路：在墻體距頂板300mm處設(shè)置措施管，管徑Φ108mm，外加堵頭；在距底板2/3處設(shè)置觀測孔管，管徑Φ50mm，外加閥門；在距觀測孔300mm處設(shè)置抽放管，管徑Φ108mm，聯(lián)入抽放系統(tǒng)；在距底板300mm處設(shè)置放水管，管徑Φ50mm，外加閥門。

圖5 永久密閉墻底部基礎(chǔ)--龍骨地梁結(jié)構(gòu)圖

圖6 磚墻-黃土-磚墻耐爆型防火密閉墻剖面圖

4.3 應(yīng)用效果

寺河煤礦二號井采取該構(gòu)筑永久密閉方法對15#煤層6個回采面進(jìn)行了封堵，所有密閉均堅固可靠，無漏風(fēng)、漏瓦斯及火災(zāi)隱患發(fā)生，具有一定抗災(zāi)變、耐爆和隔爆的能力。

5 應(yīng)用前景

通過對晉城礦區(qū)寺河煤礦二號井15#煤層瓦斯治理實踐，總結(jié)提煉了一系列瓦斯治理措施，為晉城礦區(qū)其他礦井開采煤質(zhì)松軟、低透氣、底板易變形的15#煤層提供了瓦斯治理方法和經(jīng)驗，具有一定借鑒價值。