松軟、低透氣及底板易變形煤層瓦斯治理實(shí)踐

平萬森

摘要：鐵煤集團(tuán)小青煤礦15煤層煤質(zhì)軟，透氣性低，底板易變形。軟煤在巷道掘進(jìn)過程中容易剝落，導(dǎo)致瓦斯超限事故;在施工和抽采過程中，鉆孔遇到軟煤，導(dǎo)致抽采效果差;煤層底板遇水變形后，閉壁出現(xiàn)裂縫，存在漏風(fēng)、噴井的隱患。針對上述問題，小青煤礦研究并提出了15煤層瓦斯治理的綜合措施，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：軟煤層;瓦斯抽采;鉆孔施工;技術(shù)實(shí)踐

一、15煤層工程概況

小青煤礦隸屬于鐵煤集團(tuán)，核定生產(chǎn)能力1.2Mt/a，主要開采4#、7#、15#煤層，屬于高瓦斯礦井。15煤層煤厚1.07～1.84m，平均1.36m，全區(qū)可采。一般含夾石1～2層，局部3～4層，夾石厚度在0.30m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。

二、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。

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(shí)，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(shí)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(shí)間不少于4h。鉆孔使用錨桿鉆車或手持式風(fēng)動(dòng)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。

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4#、7#煤層實(shí)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(shí)，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(shí)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。

三、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。

1、改進(jìn)施鉆工藝

（1）鉆孔方向。施工順層鉆孔時(shí)宜施工上行鉆孔，利于排渣。施工下行孔時(shí)，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(shí)，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。小青煤礦使用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(shí)，推薦使用全孔段下篩孔管的護(hù)孔工藝。

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。

3、抽采效果對比

小青煤礦15煤層采面傾向長度一致，均采用本煤層順層鉆孔抽采瓦斯。

未采取上述措施前，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(gè)月抽放，抽放總量72.5萬m3。

通過在采面改進(jìn)施鉆及封孔工藝后，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(gè)月抽放，抽放總量181.8萬m3。見下表1。

四、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。

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(shí)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(shí)在。

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(shí)的黃土夾層。

施工時(shí)，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(shí)。在密閉墻距頂板大于400mm時(shí)，要向下將黃土層搗實(shí);在密閉墻距頂板小于400mm時(shí)，要向側(cè)面將黃土層搗實(shí)。

（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。

結(jié)束語

通過鐵煤集團(tuán)小青煤礦15煤層瓦斯治理實(shí)踐，總結(jié)和細(xì)化了一系列瓦斯治理措施，為鐵煤集團(tuán)其他礦井的瓦斯治理提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。15煤層煤質(zhì)軟，透氣性低，底板易變形，具有一定的參考價(jià)值。

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