穿層定向長鉆孔預(yù)抽消突技術(shù)在雙柳煤礦的應(yīng)用

石 軍

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 雙柳煤礦, 山西 柳林 033300)

目前國內(nèi)突出礦井區(qū)域防突措施主要采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯[1]、順層長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯[2-4]或穿層短鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯[5-6]. 穿層鉆孔工程量較大，與底板巖巷掘進(jìn)相干擾，制約掘進(jìn)進(jìn)度，使采掘銜接緊張。順層鉆孔孔深較短，預(yù)抽面積小，達(dá)不到大面積消突，影響采掘作業(yè)。雙柳煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，現(xiàn)開采4#(3#+4#)煤層。隨著井田開拓區(qū)域向西部延伸,瓦斯含量日益增大，順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯治理模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前工作面瓦斯治理的需求，嚴(yán)重影響礦井的采掘銜接。因此，結(jié)合該礦實(shí)際情況，引進(jìn)千米定向鉆機(jī)，采用穿層定向長鉆孔預(yù)抽[7]對四采區(qū)4#(3#+4#)中厚煤層進(jìn)行區(qū)域防突，以實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。

1 基本概況

雙柳煤礦核定生產(chǎn)能力300萬 t/a，礦井采用斜井、立井混合開拓方式，布置有3個(gè)采區(qū)，分別為二采區(qū)、三采區(qū)和四采區(qū)，其中二三采區(qū)為生產(chǎn)區(qū)，四采區(qū)為準(zhǔn)備區(qū)。四采區(qū)區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，為一自東向西傾斜的單斜構(gòu)造,可采煤層為4#(3#+4#)煤層，平均3.75 m，屬中厚煤層。

礦井具備完善、可靠的通風(fēng)系統(tǒng)，生產(chǎn)采區(qū)均布置有專用回風(fēng)巷。礦井共布置有5個(gè)井筒，采用“三進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，其中二采區(qū)布置有白家焉副立井、主斜井、回風(fēng)井3個(gè)井筒，三采區(qū)布置有郭家山副立井、回風(fēng)井兩個(gè)井筒。礦井采用的通風(fēng)方式為主要通風(fēng)機(jī)抽出式通風(fēng)，通風(fēng)方法為分區(qū)式。

礦井采用(郭家山)地面固定抽采泵進(jìn)行瓦斯抽采工作，并實(shí)現(xiàn)了全礦井的高、低濃度瓦斯分源抽采。目前郭家山泵站抽采泵四臺型號為2BEC87，額定流量850 m3/min，抽采負(fù)壓30～50 kPa，電機(jī)功率1 000 kW，礦井抽采泵兩用兩備。目前井下抽采主管路使用一趟d720 mm抽放管路，一趟d820 mm抽放管路，工作面支管均使用d325 mm的瓦斯抽放管路。

2 四采區(qū)煤層瓦斯賦存情況

雙柳煤礦4#(3#+4#)煤層底板等高線+430 m及其以深區(qū)域?qū)偻怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)，三、四采區(qū)位于突出危險(xiǎn)區(qū)。4#(3#+4#)煤層最大破壞類型為V類，瓦斯壓力最大值為2.4 MPa，瓦斯含量最大值為12.35 m3/t,瓦斯最大放散初速度為1.72 kPa，煤堅(jiān)固性系數(shù)為0.52，煤層透氣系數(shù)為0.804 3 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.011 3～0.163 5 d-1，4#(3#+4#)煤層有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。準(zhǔn)備區(qū)域煤層瓦斯壓力及含量見表1.

表1 四采區(qū)煤層瓦斯壓力及含量統(tǒng)計(jì)表

3 四采區(qū)巷道布置與區(qū)域消突方式選擇

四采區(qū)位于三采區(qū)西側(cè)，三采區(qū)3條大巷(膠帶巷、軌道上山、回風(fēng)下山)向西直接延伸作為其采區(qū)巷道。其中，采區(qū)膠帶巷為巖石巷道，下山布置在4#(3#+4#)煤層底板巖層中，垂間距8～10 m，采區(qū)軌道巷和采區(qū)回風(fēng)巷均為煤巷，沿4#(3#+4#)煤層布置。

使用底板巖巷穿層定向長鉆孔對四采區(qū)進(jìn)行區(qū)域煤層預(yù)抽消突。采區(qū)膠帶巷作為四采區(qū)的底抽巷，先行掘進(jìn)施工，再利用千米定向鉆機(jī)在膠帶巷向上施工穿層走向長鉆孔，對4#(3#+4#)煤層采區(qū)軌道巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)條帶進(jìn)行預(yù)抽消突，達(dá)到掩護(hù)掘進(jìn)的目的。將采區(qū)軌道巷和回風(fēng)巷再作為四采區(qū)的南北翼瓦斯治理巷道，利用千米定向鉆機(jī)對四采區(qū)兩翼開展大面積區(qū)域預(yù)抽。大巷位置及層位關(guān)系見圖1.

圖1 大巷位置及層位關(guān)系圖

1) 區(qū)域瓦斯治理底抽巷預(yù)抽。

膠帶巷每300 m布置1個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場內(nèi)布置7個(gè)鉆孔，終孔間距7.5 m，鉆孔控制南、北翼瓦斯治理巷左右兩側(cè)20 m. 通過在底板巖巷反復(fù)試驗(yàn)施工定向長鉆孔可知，穿層定向長鉆孔主孔深度可以達(dá)到450～550 m,最深可達(dá)660 m，加上分支孔鉆孔總進(jìn)尺可達(dá)到1 800 m左右。1鉆場定向長鉆孔施工情況見表2.

表2 定向長鉆孔施工情況表

穿層定向長鉆孔布置見圖2.

圖2 區(qū)域瓦斯治理底抽巷穿層定向長鉆孔布置平、剖圖

在同等抽采負(fù)壓條件下，統(tǒng)計(jì)對比鉆孔瓦斯?jié)舛群统椴闪俊Ｍㄟ^對井下鉆孔抽采效果考察，選取膠帶巷1號鉆場的穿層定向鉆孔抽采參數(shù)進(jìn)行分析，得出不同深度的穿層定向鉆孔瓦斯抽采規(guī)律。穿層定向長鉆孔接入抽采系統(tǒng)后瓦斯?jié)舛?、抽采量變化曲線見圖3，圖4.

圖3 穿層定向長鉆孔接入抽采系統(tǒng)后瓦斯?jié)舛茸兓€圖

由圖3,圖4可知，鉆孔長度為450 m 時(shí)，鉆孔瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?0%～90%，抽采量在0.20～0.30 m3/min；鉆孔深度為660 m時(shí)，鉆孔濃度和抽采量剛開始一個(gè)月較高，最后直線下降。可以看出，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔濃度、抽采量隨之變大，但與鉆孔深度不呈比例變化。鉆孔深度在430～450 m時(shí)，抽采特性變化較小且能維持一定時(shí)間，而鉆孔深度在560～600 m時(shí)，抽采變化較大。隨著鉆孔分支的增多以及主孔的加深，鉆孔施工時(shí)間明顯增加，效率降低；同時(shí)鉆孔施工以及成孔的難度不斷加大，導(dǎo)致成本增加。由于南、北翼瓦斯治理巷東高西低，鉆孔為下山鉆孔，鉆孔末端排渣困難，極易出現(xiàn)堵孔等現(xiàn)象。因此，四采區(qū)4#(3#+4#)煤層穿層定向長鉆孔深度在430～450 m時(shí)，抽采效果最佳。

2) 南北翼瓦斯治理巷預(yù)抽。

南、北翼瓦斯治理巷掘進(jìn)到位后，沿巷道掘進(jìn)方向每60 m布置1個(gè)鉆場，鉆場內(nèi)布置8～9個(gè)鉆孔，孔深420～450 m，終孔間距7.5 m，對四采區(qū)進(jìn)行區(qū)域消突。南、北翼瓦斯治理巷區(qū)域消突鉆孔布置示意圖見圖5.

南、北翼瓦斯治理巷經(jīng)過6個(gè)月抽采，鉆孔平均抽采濃度52%，單孔平均抽采量0.213 m3/min，鉆場平均抽采量1.49 m3/min，累計(jì)抽采量5.52 萬m3，殘余瓦斯含量6.08 m3/t. 在工作面布置測點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗(yàn)，測得南、北翼瓦斯治理巷最大殘余瓦斯含量為5.22 m3/t，小于臨界值，且施工過程中無頂鉆、噴孔及其他動力現(xiàn)象。工作面采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，測得南、北翼瓦斯治理巷最大鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)為40 Pa，最小鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)為30 Pa，平均鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)為30 Pa；最大鉆屑量2.5 kg/m，最小鉆屑量1.8 kg/m，鉆屑量平均值2.0 kg/m，區(qū)域防突措施有效。同時(shí)巷道掘進(jìn)過程中工作面瓦斯?jié)舛茸畲?.30%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲?.38%，瓦斯對掘進(jìn)基本無影響，巷道掘進(jìn)速度明顯提高，表明實(shí)施穿層定向長鉆孔的區(qū)域防突措施后，取得了較好的防突效果。區(qū)域效檢殘余瓦斯含量、區(qū)域驗(yàn)證鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)變化曲線見圖6，圖7.

圖7 區(qū)域驗(yàn)證鉆屑瓦斯解析指標(biāo)變化曲線圖

4 結(jié) 語

結(jié)合雙柳煤礦現(xiàn)場條件，實(shí)施了穿層定向長鉆孔，效果考察顯示，底板巖巷穿層定向長鉆孔區(qū)域防突措施可有效地避免邊掘邊抽時(shí)產(chǎn)生的相互干擾，提高掘進(jìn)速度，有效解決采掘接替緊張和回采產(chǎn)量不足的問題，實(shí)現(xiàn)礦井采煤、掘進(jìn)和抽采的平衡。底板巖巷既可以作為瓦斯治理巷道，也可作為礦井系統(tǒng)大巷，實(shí)現(xiàn)了“一巷多用”；在煤與瓦斯突出礦井采掘工程實(shí)踐中應(yīng)用，保障了礦井安全高效生產(chǎn)。