低透煤層群穿層預(yù)抽及水力增透技術(shù)研究

趙建國(guó)

(山西焦煤集團(tuán) 東曲煤礦，山西 古交 030200)

突出煤層的高效快速消突是很多突出礦井面臨的技術(shù)難題，而煤層群賦存條件下的多煤層聯(lián)合消突更為困難，容易導(dǎo)致礦井“抽掘采”銜接緊張[1].《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對(duì)普通順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的使用作出了更嚴(yán)格的限制[2].目前,使用較多的區(qū)域防突措施為定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯和穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯[3]，但兩種方法均有各自的技術(shù)缺陷，定向鉆進(jìn)工藝尚未完全突破碎軟煤層鉆進(jìn)的全套裝備與工藝技術(shù)[4];穿層鉆孔預(yù)抽一般需提前布置頂(底)板巖巷，并在巷道內(nèi)施工穿層鉆孔，具有巖巷工程量大、巖孔工程量大，煤孔段鉆孔距離短、單孔抽采量小的缺點(diǎn)。

以東曲煤礦九采區(qū)22906(24906)工作面為工程背景，根據(jù)煤層與瓦斯賦存情況分析各種消突方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定合理的技術(shù)對(duì)擬掘區(qū)域進(jìn)行抽采，以消除煤層的突出危險(xiǎn)性。

1 試驗(yàn)區(qū)域概況

東曲煤礦為突出礦井，主要可采煤層(2#、4#、8#和9#)均為突出煤層，其中2#、4#煤為上組煤，8#、9#煤為下組煤，各煤組均為近距離煤層。九采區(qū)上組煤煤層與瓦斯參數(shù)見表1.

表1 九采區(qū)上組煤煤層與瓦斯參數(shù)表

22906軌順(2#煤層)在平面上內(nèi)錯(cuò)24906軌順(4#煤層)30 m，兩條巷道均自西翼軌道巷開口，下山掘進(jìn)，巷道長(zhǎng)度920 m，工作面布置見圖1.

圖1 22906與24906工作面布置圖

2 消突方案比選

九采區(qū)2#、4#煤層均具有突出危險(xiǎn)性，平均層間距僅為5.89 m，宜采用聯(lián)合消突，鑒于《煤礦安全規(guī)程》與《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對(duì)順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶區(qū)域防突措施的使用條件做出明確限制，提出兩種方案。

2.1 定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽煤巷條帶方案

首條巷道掘進(jìn)時(shí)，利用澳鉆施工長(zhǎng)鉆孔對(duì)掘進(jìn)區(qū)域瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，澳鉆施工的長(zhǎng)鉆孔包括2#煤層順層長(zhǎng)鉆孔和4#煤層的穿層長(zhǎng)鉆孔，待掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力和含量分別降至0.74 MPa和8 m3/t以下，2#煤巷道和4#煤巷道交替掘進(jìn)。由于掘進(jìn)巷道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，每條巷道掘進(jìn)過程需分為兩個(gè)循環(huán)，根據(jù)鉆機(jī)施工工藝和生產(chǎn)條件，每階段澳鉆施工鉆孔的長(zhǎng)度為460 m，掘進(jìn)工作面在預(yù)留50 m安全超前距離的前提下可掘進(jìn)410 m，掘進(jìn)工作面的消突工程和煤巷掘進(jìn)工作交替進(jìn)行[5].

2.2 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶方案

在4#煤層的底板或2#煤層的頂板層距5 m以上的巖層中布置一條巖巷，在該巷內(nèi)布置穿層鉆孔預(yù)抽2#、4#煤層的煤巷條帶瓦斯。為解決穿層鉆孔煤孔段距離短導(dǎo)致單孔抽采量低的問題，采用水力造穴技術(shù)對(duì)2#、4#煤層進(jìn)行增透，實(shí)現(xiàn)消突后開展巷道掘進(jìn)工作。

2.3 消突方案比選確定

定向長(zhǎng)鉆孔消突方案優(yōu)點(diǎn)：無需施工巖巷，首個(gè)循環(huán)工期短；鉆孔軌跡可控。缺點(diǎn)：受地質(zhì)構(gòu)造影響，成孔率不高；由于鉆孔較長(zhǎng)，孔內(nèi)塌孔后影響抽采效果；鉆孔為下向孔，容易積水積渣，影響抽采效果；根據(jù)銜接計(jì)劃，難以保證預(yù)抽時(shí)間；效果檢驗(yàn)工作量較大，且與掘進(jìn)作業(yè)相互影響[6].

穿層鉆孔消突方案優(yōu)點(diǎn)：鉆孔長(zhǎng)度短，軌跡偏差小，施工簡(jiǎn)單，基本無需測(cè)軌跡；鉆孔不易塌孔；鉆孔為上向穿層鉆孔，基本無積水積渣；可保證充分的預(yù)抽時(shí)間；抽采鉆孔施工與效果檢驗(yàn)在巖巷內(nèi)進(jìn)行，不影響掘進(jìn)作業(yè)；可作為將來8#煤開采時(shí)的高抽巷使用。缺點(diǎn)：巖巷施工周期長(zhǎng)；鉆孔穿煤段長(zhǎng)度小，單孔抽采量低。

對(duì)比兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)可知，通過水力造穴技術(shù)解決穿層鉆孔單孔抽采量低的問題后，穿層鉆孔消突方案較定向長(zhǎng)鉆孔具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，還可實(shí)現(xiàn)“一巷多用”，具有較好的綜合效益。根據(jù)九采區(qū)上組煤的瓦斯地質(zhì)和煤層賦存條件，選擇底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽條帶煤層瓦斯結(jié)合水力造穴增透的消突技術(shù)。

3 穿層鉆孔增透消突方案設(shè)計(jì)

3.1 巖巷位置

下向鉆孔在打鉆期間積水、積渣不易排凈，且水力造穴期間排渣困難，因此，該次穿層鉆孔預(yù)抽選擇在底抽巷內(nèi)施工上向穿層鉆孔。由于2#、4#煤均為突出煤層，采用聯(lián)合消突，確定將底抽巷布置在4#煤層底板下方層距5 m以外的巖層中。結(jié)合4#煤層下部巖性，考慮鉆孔施工管理方便，并將底抽巷預(yù)留作為下組煤開采時(shí)的高抽巷，確定巷道沿平面內(nèi)錯(cuò)22906軌順30 m布置，沿垂面距4#煤層底板平均間距8 m.

3.2 水力造穴增透

為了進(jìn)一步提升底板巖巷穿層消突鉆孔的預(yù)抽效果，引進(jìn)水力造穴增透技術(shù)。即：在預(yù)抽鉆孔中使用高壓水沖孔，依靠高壓水沖擊力，造成煤體破碎，形成孔洞，孔周圍煤體蠕變損傷、沿孔洞發(fā)生徑向移動(dòng)，穴道影響范圍內(nèi)煤體應(yīng)力降低，煤層孔隙張開、裂隙貫通，大幅度增高煤層透氣性，極大地提升抽采效率，水力造穴增透瓦斯流動(dòng)概念模型見圖2[5].

圖2 水力造穴增透瓦斯流動(dòng)概念模型圖

3.3 鉆孔設(shè)計(jì)及造穴方案

在鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合煤層賦存情況、鉆孔的有效抽采范圍等因素，在底板巖巷內(nèi)布置穿層鉆孔預(yù)抽2#、4#煤層的煤巷條帶瓦斯，每隔5 m施工一組鉆孔。為了確保鉆孔覆蓋范圍無空白帶，經(jīng)多次優(yōu)化，鉆孔呈扇形布置，每組12個(gè)孔，孔徑113 mm，單個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔進(jìn)尺合計(jì)582 m，底板巖巷穿層鉆孔布置圖見圖3.底板巖巷穿層條帶鉆孔參數(shù)見表2.

圖3 底板巖巷穿層鉆孔布置圖

表2 底板巖巷穿層條帶鉆孔參數(shù)表

在底板巖巷穿層消突鉆孔的基礎(chǔ)上，每組鉆孔中選取4個(gè)進(jìn)行水力沖孔造穴。為保證水力造穴鉆孔均勻布置，選取鉆孔的1#孔、5#孔、8#孔和10#孔為一組，2#孔、6#孔、9#孔和11#孔為二組，造穴鉆孔及參數(shù)見表3.

表3 造穴鉆孔及參數(shù)表

當(dāng)穿層鉆孔施工完成后，采用一體化水力沖孔造穴，造穴位置均為每個(gè)鉆孔在煤層中鉆進(jìn)的部分。1#孔和2#孔單獨(dú)預(yù)抽4號(hào)煤層瓦斯，各造一個(gè)穴，其它鉆孔均為同時(shí)預(yù)抽2#、4#煤層瓦斯，每孔造兩個(gè)穴。每個(gè)穴半徑不小于0.5 m，造穴長(zhǎng)度1 m.

以5#孔為例說明施工流程，施工至69 m深度后退桿至62 m處，鉆桿尾部更換高壓旋轉(zhuǎn)接頭，用d25 mm高壓快插式膠管將高壓旋轉(zhuǎn)接頭與履帶式高壓水泵站出水口連接，啟動(dòng)鉆機(jī)主高壓水泵站，水泵出水壓力調(diào)節(jié)到18 MPa，鉆機(jī)保持低速旋轉(zhuǎn)，前后1 m范圍內(nèi)緩慢上下鉆桿，保持造穴30 min后停止造穴，退桿至30 m處再進(jìn)行沖孔造穴一次，造穴完成后一次拉出所有鉆桿。

4 瓦斯治理效果考察

4.1 瓦斯抽采效果

考慮到前期選擇部分鉆孔進(jìn)行考察時(shí)，由于單孔抽采流量較小、抽采變化特征不明顯，選定5組(60個(gè)鉆孔)為一個(gè)考察單元，共兩個(gè)單元。其中，一個(gè)單元施工的部分鉆孔按照設(shè)計(jì)進(jìn)行水力造穴，另一個(gè)單元施工的穿層鉆孔不進(jìn)行水力造穴，通過放大基數(shù)確?？疾旃ぷ黜樌?/p>

根據(jù)抽采統(tǒng)計(jì)，造穴鉆孔前60 d抽采純量0.103～0.448 m3/min，平均抽采純量0.298 m3/min.非造穴鉆孔前60 d抽采純量0.096～0.230 m3/min，平均抽采純量0.150 m3/min.瓦斯抽采混合量、抽采純量、抽采濃度和累計(jì)抽采純量變化曲線見圖4.

圖4 前60天抽采參數(shù)變化曲線圖

抽采60 d內(nèi)造穴鉆孔日平均抽采純量是非造穴鉆孔的2.0倍，即水力造穴鉆孔瓦斯抽采純量有明顯增加，并且隨著抽采時(shí)間的延長(zhǎng)，二者差距進(jìn)一步拉大。

4.2 瓦斯含量降低指標(biāo)

對(duì)造穴鉆孔與非造穴鉆孔60 d內(nèi)的累計(jì)瓦斯抽采量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表4.每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔控制煤層:

表4 不同抽采方式下瓦斯抽采效果表

V=L×W×m×γ

式中：

V—控制煤炭?jī)?chǔ)量，t;

L—計(jì)量區(qū)域沿巷道前方長(zhǎng)度，m,L=n×r；

n—計(jì)量區(qū)域內(nèi)鉆孔接抽組數(shù)，組，2#、4#煤層均為5；

r—鉆孔間距，m，2#、4#煤層均為5；

W—計(jì)量區(qū)域沿巷道兩幫寬度，m，2#、4#煤層均為70；

m—煤層厚度，m，2#、4#煤層分別為1.8、1.48；

γ—煤的視密度，kg/m3，2#、4#煤層分別為1.39、1.42.

根據(jù)表4可知，造穴抽采60 d后2#、4#煤層噸煤瓦斯含量分別降低3.53 m3/t、2.8 m3/t，而非造穴抽采60 d后2#、4#煤層噸煤瓦斯含量分別降低1.77 m3/t、1.42 m3/t.2#、4#煤層原始瓦斯含量分別為9.44 m3/t、8.23 m3/t，預(yù)計(jì)造穴鉆孔在60 d內(nèi)可將非構(gòu)造區(qū)域煤層瓦斯含量降至臨界值以下。

5 結(jié) 語

1)近距離突出煤層群，在底板巖巷布置穿層鉆孔預(yù)抽消突技術(shù)適用性較好，能夠保證足夠預(yù)抽時(shí)間，并減少掘進(jìn)作業(yè)期間的影響。

2)水力造穴增透技術(shù)效果明顯，東曲煤礦采用該技術(shù)后水力造穴鉆孔抽采量平均增加了1倍，在60 d的抽采時(shí)間內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了非構(gòu)造區(qū)域的消突。

3)底板巖巷作為后期下組煤開采期間的高抽巷繼續(xù)使用，實(shí)現(xiàn)了“一巷多用”的綜合效益，有效降低了瓦斯治理的成本。