地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域工作面瓦斯預(yù)抽采技術(shù)應(yīng)用研究

崔 猛

（霍州煤電李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

李雅莊煤礦2-607綜采工作面位于已搬遷的郝家腰村中部，大部為黃土覆蓋，為低山區(qū)丘陵地帶。2-601工作面位于六采區(qū)中部左翼，為西南-東北走向。該工作面煤層屬于二疊系山西組2#煤，本工作面為1、2#煤層合并區(qū)域，節(jié)理較為發(fā)育，平均煤層厚度為3.27m，預(yù)計夾矸厚度最薄為0.14m，最厚為0.4m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜2-607綜采工作面按一進(jìn)一回布置,實(shí)行“U”型通風(fēng)，布置兩條順槽巷道，即皮帶運(yùn)輸巷、軌道運(yùn)輸巷。工作面位于六采區(qū)前進(jìn)方向的右翼，沿煤層走向布置,與正在回采的2-605工作面相臨。開采2#煤層，類型為：Ⅱ類自燃發(fā)火傾向性，具有爆炸性；煤層爆炸性指數(shù)為25.13%。2-6071皮帶運(yùn)輸巷用于2-607工作面進(jìn)風(fēng)巷，設(shè)計全長1417m，2-6072軌道運(yùn)輸巷用于2-607工作面回風(fēng)巷，設(shè)計全長1431m。工作面切巷設(shè)計全長220m。

李雅莊煤礦屬于高瓦斯礦井，正在回采的605工作面主要的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)有：瓦斯壓力：0.697MPa；煤層瓦斯含量：6.314m3/t；透氣性系數(shù)：0.4625m2/MPa2·d；根據(jù)這些情況，為了防治工作面回采過程中，瓦斯過多而造成危險，需通過施工本煤層鉆孔提前抽采以降低煤體瓦斯含量。根據(jù)工作面三維地震勘探資料顯示，影響本工作面布設(shè)的主要地質(zhì)構(gòu)造有一條0～7m正斷層、兩個陷落柱，具體位置如下：斷層預(yù)計距6071巷78m，走向260°，距6072巷開口150m處，走向15°；陷落柱位于6071開口920m，976m處，陷落柱位于6072巷900m,工作面右側(cè)25m處。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，陷落柱對于瓦斯預(yù)抽由較大影響，而斷層附近由于構(gòu)造應(yīng)力的影響，透氣性較差，對于瓦斯的滲透和抽采造成很大影響，容易造成破碎煤體內(nèi)瓦斯積聚，一旦鉆孔的布置不合理，抽采不均勻，就大大增加了煤與瓦斯突出的危險，因此在607工作面斷層附近需要對鉆孔位置及施工方法進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的[1～2]。

2 斷層影響范圍模擬研究

2.1 斷層影響數(shù)值模擬

由于斷層對于周圍煤巖體的破壞，導(dǎo)致斷層周圍煤巖體更為破碎，裂隙發(fā)育較好，瓦斯涌出量更多，并且由于斷層的側(cè)向和垂向封閉作用，使斷層附近煤與瓦斯的突出危險性增加，通過適當(dāng)?shù)脑黾油咚钩榉趴椎拿芏?，更好的排放該區(qū)域內(nèi)的瓦斯?，F(xiàn)結(jié)合607工作面具體的地質(zhì)狀況，應(yīng)用FLAC3D接觸面命令進(jìn)行模擬，定量的預(yù)測斷層的影響區(qū)域，來服務(wù)于鉆孔的設(shè)計。根據(jù)地應(yīng)力測試的結(jié)果，模型為左右兩邊簡支，下部固支，頂部為自由邊界，上覆巖層的地應(yīng)力簡化為15.6MPa的均布載荷，平衡后模擬斷層對于煤巖體的影響范圍，平衡后模型的塑性區(qū)分布如圖1所示。

圖1 斷層附近塑性區(qū)分布

上圖為607工作面在沒有采動的影響下，斷層附近煤巖體內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)育情況，由圖可以看出，正斷層的上盤塑性區(qū)范圍大于下盤，塑性區(qū)水平方向的長度大約為40m，破壞的主要形式為剪切破壞，破壞最為嚴(yán)重的是煤層底板內(nèi)聚力較小的泥巖，因泥巖的透氣性較差，并且斷層的滑動作用可能導(dǎo)致在斷層面形成泥巖涂抹層，減弱其透氣性，更易造成瓦斯的積聚。因此在鉆孔的設(shè)計時必須充分考慮斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響。

2.2 607工作面鉆孔布置設(shè)計

2-607工作面鉆孔布置采用單排順層平行的布置方式，鉆孔從工作面停采線開始從外向里施工，施工至距切巷10m處停止，鉆孔開孔高度1.5m-1.7m，鉆孔單孔深度210m，鉆孔直徑∮113mm。施工角度：水平角垂直煤壁，傾角沿煤層進(jìn)行施工，根據(jù)兩巷標(biāo)高每50m核對角度。遇到斷層、陷落柱時鉆孔施工角度區(qū)必須按照實(shí)際鉆探情況結(jié)合斷層傾角給予標(biāo)定，鉆孔參數(shù)見表1。

表1 607工作面本煤層鉆孔設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)607工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的分布，以及斷層影響區(qū)域數(shù)值模擬的結(jié)果，根據(jù)鉆孔間距離的布置可以分為以下三個區(qū)段：①1～700m之間鉆孔間距為5.4m（鉆孔間隔5排），施工鉆孔130個；②由于該區(qū)段內(nèi)預(yù)計有兩個陷落柱，故在700～1200m之間鉆孔間距調(diào)整為3.6m（鉆孔間隔3排），施工鉆孔139個；③由于該區(qū)域內(nèi)存在著正斷層，工作面準(zhǔn)備期間導(dǎo)致煤巖體更為破碎，裂隙發(fā)育良好，煤與瓦斯突出的危險性增大，適當(dāng)?shù)募哟笸咚钩榉趴椎拿芏?，根?jù)數(shù)值模擬的結(jié)果及巷道掘進(jìn)過程中煤層內(nèi)瓦斯的涌出情況，設(shè)計將1200-1400m之間鉆孔間距調(diào)整為1.8m（鉆孔間隔1排），施工鉆孔111個，2-6071巷設(shè)計鉆孔380個，及鉆孔布置圖詳見圖1。

圖2 2-607工作面鉆孔布置圖

3 構(gòu)造區(qū)域鉆孔施工

3.1 地質(zhì)構(gòu)造對鉆孔施工的影響

在700～1200m區(qū)段內(nèi)由于陷落柱的影響在鉆進(jìn)時常出現(xiàn)卡鉆、塌孔、噴孔等現(xiàn)象，對該區(qū)段內(nèi)139個鉆孔的成孔情況進(jìn)行統(tǒng)計，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 鉆孔成孔情況統(tǒng)計圖

由該區(qū)段成孔情況統(tǒng)計結(jié)果可知，在607工作面地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)，鉆孔成孔率較低，并且出現(xiàn)卡鉆等現(xiàn)象，造成經(jīng)濟(jì)損失。鉆孔的設(shè)計長度為210m，該區(qū)段內(nèi)鉆孔一共139個，如果將鉆孔長度大于150m看作成孔的話，該區(qū)段內(nèi)成孔率約為40%，并且出現(xiàn)了6次卡鉆現(xiàn)象和多次塌孔、噴孔等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響該區(qū)域的瓦斯預(yù)抽采效果。

工作面內(nèi)由于斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的存在，改變了周圍煤巖體內(nèi)主應(yīng)力的大小和方向，在構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力長期影響下使該區(qū)域內(nèi)煤體裂隙發(fā)育完全，煤體松軟，容易導(dǎo)致大量的瓦斯聚集，在進(jìn)行瓦斯排放鉆孔的施工時常常出現(xiàn)排渣量增加的現(xiàn)象，在排渣量提高的過程中，常伴隨著大量瓦斯涌出的現(xiàn)象[3～4]。鉆孔塌孔是一種動力較弱的表現(xiàn)，在地應(yīng)力和瓦斯壓力的共同作用下，由于煤體較破碎、軟弱，鉆孔孔壁坍塌，目前常用的解決方法是使用水力排渣鉆進(jìn)。而鉆孔在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的噴孔現(xiàn)象是一種劇烈的動力表現(xiàn)，這是由于瓦斯壓力過大引起的鉆孔內(nèi)部的煤與瓦斯突出的現(xiàn)象，在斷層附近鉆孔的施工過程中，發(fā)生噴孔的位置在孔底區(qū)域，噴孔形成的"空穴"導(dǎo)致鉆頭失去約束而出現(xiàn)"掃孔"的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法繼續(xù)鉆進(jìn)，影響鉆孔的成孔質(zhì)量并且由于噴孔的影響導(dǎo)致鉆孔變形，出現(xiàn)卡鉆的現(xiàn)象，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此必須采取有效地方法解決此類問題。

3.2 “孔內(nèi)高壓”施鉆工藝

煤體內(nèi)瓦斯的排出主要依靠其內(nèi)部瓦斯的壓力與鉆孔內(nèi)氣體壓力的差值，使煤體內(nèi)的瓦斯不斷的向鉆孔內(nèi)運(yùn)移，最終通過通風(fēng)排出工作面區(qū)域。通過增加空壓機(jī)的供風(fēng)的能力和壓力從而實(shí)現(xiàn)“孔內(nèi)高壓”，這使煤體內(nèi)瓦斯的壓力與鉆孔內(nèi)的氣體壓力差值減小，降低了兩者之間的壓力梯度，使鉆孔周圍煤體內(nèi)部的瓦斯解吸反應(yīng)減弱，減小瓦斯的涌出量，最終避免鉆孔內(nèi)的煤與瓦斯突出的現(xiàn)象，同時由于孔內(nèi)壓力的增大，能夠更多的抵消孔壁向鉆孔徑向的應(yīng)力，保持孔壁的完整性，提高鉆孔成孔率。

目前國內(nèi)常用的空壓機(jī)主要有螺桿式和活塞式，最大壓力可達(dá)到2.0MPa，根據(jù)相鄰的2-605工作面煤體內(nèi)瓦斯的壓力，綜合考慮空壓機(jī)運(yùn)行中壓力的損失以及施工的安全等因素最終確定空壓機(jī)的額定風(fēng)壓為0.8～0.9MPa。根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備，在2-607工作面內(nèi)正斷層上盤80m及下盤120m范圍內(nèi)采用ZDJ1900S（MDK-5S）型鉆機(jī)，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為100～200r/min，輸出扭矩為 600～1500N/m。鉆孔布置采用單排順層平行的布置方式，鉆孔開孔高度1.5m～1.7m，鉆孔間距為1.8m，鉆孔深度2100m，設(shè)計采用該鉆機(jī)一共鉆設(shè)111個鉆孔，鉆孔的長度和直徑不變。

3.3 封孔、連孔工藝

1）封孔選用兩堵一注封孔方式：封孔管選用5根φ75×3000mmPE封孔管，鉆孔封孔長度為15m，封孔區(qū)段為6m～14m位置，封孔管外露不超過200mm，孔口外采用100×100 mm的水泥砂漿封孔。封孔材料采用動壓封孔，將注漿料倒入注漿機(jī)內(nèi)，注漿料攪拌均勻后，將注漿機(jī)與封孔器連接進(jìn)行注漿。

2）鉆孔聯(lián)孔選用φ75、φ102高壓膠管,每6個孔為一組，連接一個放水器，鉆孔都安裝測量咀，用于測量鉆孔瓦斯參數(shù)。鉆孔護(hù)孔選用φ32×3000mmPE篩管（帶絲扣），要求鉆孔全程下篩管。

通過實(shí)踐證明，改進(jìn)鉆機(jī)后成功提高了順層水平鉆孔的成孔率，150m以上的成孔率約為75%，并且再未出現(xiàn)過噴孔、卡鉆等現(xiàn)象，鉆孔的速度也得到一定的提升。

4 結(jié)論

通過對于李雅莊煤礦2-607工作面瓦斯預(yù)抽地質(zhì)構(gòu)造影響條件下鉆孔布置的設(shè)計，在斷層及陷落柱影響區(qū)域加大瓦斯抽放孔的密度，排除了異常區(qū)段煤與瓦斯突出的危險，并采用“孔內(nèi)高壓”施鉆工藝，成功解決了該區(qū)域內(nèi)鉆孔噴孔、塌孔等現(xiàn)象，并且縮短了施工工期，節(jié)約了成本，取得了良好的工作面瓦斯預(yù)抽采效果。