順層鉆孔預(yù)抽工作面高瓦斯礦井防治技術(shù)應(yīng)用研究

吳 洲

（山西潞陽(yáng)煤炭投資經(jīng)營(yíng)管理有限公司，山西 晉中045400）

長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)面臨瓦斯所帶來(lái)的影響，從而制約著煤礦的正常生產(chǎn)效率，甚至威脅著煤炭職工的生命安全。在目前瓦斯治理的常規(guī)方式中，仍以加強(qiáng)通風(fēng)、預(yù)抽采、邊抽邊采是治理煤礦瓦斯超限的重要措施，但是依然無(wú)法做到對(duì)高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害的完全消除工作，本文通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在大巷掘進(jìn)期間，采取邊掘邊抽+臨近巷道預(yù)抽+底板裂隙瓦斯收集的綜合治理措施進(jìn)行瓦斯治理，將可以有效的降低瓦斯?jié)舛?，從而扭轉(zhuǎn)高瓦斯礦井的安全被動(dòng)局面，本文以潞陽(yáng)祥升煤業(yè)3301回采工作面為背景展開(kāi)研究。

1 工程概況

山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)祥升煤業(yè)有限公司礦井位于晉中市壽陽(yáng)縣，井田面積10.4 km2，批準(zhǔn)開(kāi)采3～15下號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模90萬(wàn)t/a。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心2014年所編制的《山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)祥升煤業(yè)有限公司礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，祥升煤業(yè)屬高瓦斯礦井，礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量42.44 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量80.37 m3/min；回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)到最大值43.59 m3/min；地面瓦斯泵站安裝4臺(tái)2BEC-80型抽放泵，高、低負(fù)壓分源抽采，高負(fù)壓泵最大抽氣量為495 m3/min，電機(jī)功率630 kW，使用Φ720 mm管路；低負(fù)壓泵最大抽氣量710 m3/min，電機(jī)功率1 120 kW，使用Φ864 mm管路。礦井抽采方法為：本煤層鉆孔預(yù)抽、裂隙帶鉆孔抽采、采空區(qū)抽采、高抽巷抽采。

3301工作面采用本煤層鉆孔+裂隙帶抽采+沿空留巷埋管抽采治理工作面瓦斯，根據(jù)祥升煤業(yè)3#煤層瓦斯地質(zhì)圖顯示，3301工作面原始煤體瓦斯含量為6.5～8.5 m3/t，屬于二級(jí)瓦斯管理區(qū)域，在3301軌順回風(fēng)通道口開(kāi)始至距切眼10 m處施工平行順層預(yù)抽鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔開(kāi)孔高度1.3 m，鉆孔方位角0°，傾角0°±5°。鉆孔直徑94 mm，鉆孔深度115 m，共施工鉆孔195個(gè)，鉆孔進(jìn)尺22 425 m，如圖1所示。目前3301回采工作面已具備完整的瓦斯抽采系統(tǒng)，但是仍然無(wú)法完全排除在回采過(guò)程中發(fā)生瓦斯事故出現(xiàn)的可能性，因此需要進(jìn)一步對(duì)工作面回采瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行研究，并采取相關(guān)防治措施。

圖1 3301工作面本煤層鉆孔示意圖

2 超前排放鉆孔原理及設(shè)計(jì)機(jī)制

2.1 作用原理

由于煤礦在進(jìn)行開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，會(huì)將煤巖體固有的應(yīng)力平衡狀態(tài)破壞，從而造成應(yīng)力在一定范圍內(nèi)的重新排列分布。如下頁(yè)圖2所示，為3301回采工作面前方應(yīng)力分布趨勢(shì)，這是由于應(yīng)力這種不穩(wěn)定狀態(tài)，且不規(guī)則的分布，煤巖體部分因此形成了卸壓帶、應(yīng)力集中帶與原巖應(yīng)力帶三個(gè)區(qū)域?？梢钥闯觯S著煤體深度的增加，應(yīng)力大小呈先升后降，逐步趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，其中，應(yīng)力集中帶受影響最為嚴(yán)重，其煤巖體破壞程度也最大[1-2]。

圖2 回采工作面前方垂直應(yīng)力分布圖

為了有效預(yù)防3301回采工作面發(fā)生瓦斯事故，本文將先采用超前排放鉆孔卸壓的方式，將工作面前端煤巖體內(nèi)應(yīng)力提前釋放，從而使應(yīng)力變化前置，以達(dá)到應(yīng)力集中帶的區(qū)域遠(yuǎn)離回采工作面的目的。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定超前排放鉆孔為圓形，如公式（1）、公式（2），其距離圓心距離r所受任一點(diǎn)的應(yīng)力可分為切向應(yīng)力σt與徑向應(yīng)力σr：

徑向應(yīng)力：

式中：C為煤體黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；r1為鉆孔半徑，m；r為與鉆孔圓心距離，m。

根據(jù)摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，通過(guò)公式（3），計(jì)算鉆孔周?chē)簬r體極限平衡區(qū)的半徑，可以得出煤巖體受破壞的程度：

式中：pgH為原巖應(yīng)力，MPa。

通過(guò)上述公式可以得出鉆孔周?chē)簬r體的應(yīng)力大小，計(jì)算發(fā)現(xiàn)切向應(yīng)力是導(dǎo)致煤巖體破壞的主要原因，也就是說(shuō)，煤巖體的抗剪強(qiáng)度要弱于其抗壓強(qiáng)度。

如上文所提到，在3301回采工作面超前排放鉆孔將會(huì)在鉆孔周?chē)纬梢粋€(gè)卸壓帶，從而打破煤巖體內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)則。現(xiàn)在將比較在相同深度情況下，通過(guò)對(duì)鉆屑指標(biāo)的分析來(lái)決定排放鉆孔的最佳排放半徑。

2.2 超前排放孔參數(shù)研究

根據(jù)祥升煤業(yè)3號(hào)煤的地質(zhì)情況，選擇在3301回采工作面中間區(qū)段采用預(yù)測(cè)指標(biāo)法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定超前排放鉆孔的有效排放半徑。如圖3選取表面較為平整煤壁區(qū)域，首先1號(hào)孔半徑為16 mm，進(jìn)行有效半徑的測(cè)定[3-4]。隨后進(jìn)行擴(kuò)孔工作，擴(kuò)至半徑為21 mm的2號(hào)鉆孔，3號(hào)與4號(hào)為距離均為測(cè)試孔，距離其位置分別為2.3 m與2.4 m。

圖3 測(cè)試孔布置示意圖（m）

3301工作面超前鉆孔鉆屑量測(cè)試結(jié)果如圖4所示，3號(hào)和4號(hào)孔內(nèi)鉆屑量隨著距排放孔中心距離的增加呈先漲后跌的趨勢(shì)。當(dāng)距鉆孔中心＜1.1 m時(shí)，兩者數(shù)值接近，在0.9～1.1 kg/m之間，4號(hào)孔的鉆屑量在距離1.2 m達(dá)到頂峰3.5 kg/m；3號(hào)孔則略有延遲，在1.4 m時(shí)達(dá)到頂峰?？梢钥闯觯?dāng)距離超過(guò)1.1 m時(shí)，兩者效果同時(shí)趨于不穩(wěn)定，因此判斷R=21 mm的超前排放孔的有效排放半徑約為1.1 m。

圖4 排放半徑測(cè)試結(jié)果示意圖

3 3301工作面區(qū)域防突措施設(shè)計(jì)

由于祥升煤業(yè)為高瓦斯礦井，在3301工作面回采前應(yīng)對(duì)瓦斯危害進(jìn)行判斷，現(xiàn)根據(jù)3301工作面實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行瓦斯驗(yàn)證，方法如下：工作面每間隔20 m布置一個(gè)鉆孔（鉆孔參數(shù)：L=10 m，r=21 mm），驗(yàn)證鉆孔的鉆屑量S和瓦斯解吸指標(biāo)K如表1所示。

表1 鉆屑指標(biāo)法參考臨界值

根據(jù)文章2.2對(duì)超前排放鉆孔有效半徑的研究發(fā)現(xiàn)，其有效間距≤1.1 m。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心2014年所編制的《山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)祥升煤業(yè)有限公司礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示，祥升煤業(yè)開(kāi)采3號(hào)煤層時(shí)，礦井最大相對(duì)瓦斯涌出量42.44 m3/t，最大絕對(duì)瓦斯涌出量80.37 m3/min；故設(shè)計(jì)超前排放的參數(shù)如下：排放鉆孔分四排等間距（0.5 m）排列，鉆孔半徑r=21 mm，孔深h=15 m，如圖5所示。

5-1排放鉆孔布置示意圖（m）

圖5 3301回采工作面超前排放鉆孔布置示意圖

4 3301工作面回采期間應(yīng)用考察

在祥升煤業(yè)3301工作面割煤機(jī)采煤前，沿工作面軟分層每隔15 m的間距均勻布置超前排放鉆孔，用來(lái)降低瓦斯涌出引發(fā)的事故風(fēng)險(xiǎn)，并利用鉆屑量S值與鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1對(duì)排放效果進(jìn)行檢驗(yàn)（參考臨界值S≥6.0 kg/m或K1≥0.5 mL/（g·min1/2）。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，鉆屑量S值在鉆孔每鉆進(jìn)1 m時(shí)測(cè)定，而鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1則在每鉆進(jìn)2 m時(shí)測(cè)定，3301工作面總計(jì)統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)度為60 m的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，各指標(biāo)均在臨界值以內(nèi)，具體如圖6所示。

圖6 工作面回采期間效檢參數(shù)隨回采距離變化曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)祥升煤業(yè)3301回采工作面采用小直徑密集超前排放孔作用原理的研究分析發(fā)現(xiàn)，鉆孔半徑為21 mm的小鉆孔有效排放半徑為1.1 m，根據(jù)3301工作面實(shí)際地質(zhì)條件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出了有關(guān)排放孔布置、孔位排列、深度等數(shù)據(jù)的最佳值域，并在現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)后取得了良好的實(shí)際效果，對(duì)祥升煤業(yè)今后的安全生產(chǎn)工作具有很好的指導(dǎo)意義。