煤巷條帶治理區(qū)域水力沖孔孔洞防瓦斯積聚措施研究與應(yīng)用

晁紅彬

（河南永錦能源有限公司，河南 禹州 461670）

0 引 言

隨著煤田開采深度的不斷增加，地應(yīng)力與瓦斯壓力不斷加大，瓦斯保存條件較好，煤層透氣性差，水力沖孔封孔聯(lián)抽措施成為降低煤層瓦斯、防治煤與瓦斯突出的重要措施[1]，在水力沖孔區(qū)域?qū)嵤╁^網(wǎng)支護(hù)時(shí)由于水力沖孔布置密度較大，錨桿施工過程中不可避免地會(huì)在巷道頂、幫遇到水力沖孔形成的孔洞。通常工作面兩巷掘進(jìn)過程中始終會(huì)在頂板揭露1個(gè)水力沖孔孔洞。同時(shí)，由于水力沖孔鉆孔施工過程中存在一定的誤差及孔洞空間形態(tài)的不規(guī)則性，在巷道兩幫也有可能揭露水力沖孔孔洞[2]，這些孔洞往往積聚大量高濃度的瓦斯，掘進(jìn)至此，會(huì)瞬間釋放到巷道中，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的人身安全。針對這種情況，在底抽巷原穿層鉆孔附近施工輔助增透鉆孔和利用原措施鉆孔，將孔洞內(nèi)積聚的瓦斯抽出，消除這一不安隱患。

1 概 況

云蓋山煤礦一礦位于禹州煤田西部，主要開采二1煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，煤層賦存不穩(wěn)定，厚度0.5~6 m，平均4.6 m，煤層松軟（普氏系數(shù)f=0.11～0.37），透氣性差（透氣性系數(shù)λ=0.435）。依據(jù)22206綜采工作面瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)、煤厚、煤層傾角、支護(hù)工藝，結(jié)合穿層鉆孔工程量最優(yōu)原則，底抽巷布置在二1煤層L8灰?guī)r下炭質(zhì)泥巖中，距二1煤層法距平均25 m，施工層位位于L8灰?guī)r下炭質(zhì)泥巖中，煤巷掘進(jìn)區(qū)域采取在底抽巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的方法并配合水力沖孔卸壓增透措施，按照穿層鉆孔水力沖孔抽放時(shí)間3個(gè)月抽放半徑8.5 m，排間距按8 m進(jìn)行布置。

2 礦井瓦斯治理現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶鉆孔設(shè)計(jì)情況

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》《河南能源化工集團(tuán)進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦瓦斯綜合治理工作指引（試行）》等規(guī)定，礦井要形成煤巷對底抽巷抽采鉆孔痕跡驗(yàn)收反演機(jī)制，對煤巷連續(xù)10 m內(nèi)見不到穿層鉆孔眼痕或穿層篩管的煤巷禁止掘進(jìn)，需要重新打鉆，并對鉆孔施工單位進(jìn)行責(zé)任追究。云蓋山煤礦一礦22206運(yùn)輸順槽穿層預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔，每組設(shè)計(jì)7個(gè)，其中4號(hào)鉆孔終孔位置在煤巷掘進(jìn)巷道中心線位置，便于統(tǒng)計(jì)和抽采鉆孔痕跡驗(yàn)收反演、分析（圖1）。

圖1 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)示意Fig.1 Design of gas drilling in strip coal seam of pre-pumping roadway through layer drilling

2.2 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層鉆孔施工后存在的問題

煤與瓦斯突出礦井的防突措施鉆孔通常在抽采達(dá)標(biāo)后，原條帶措施鉆孔停止抽放，關(guān)閉抽放鉆孔的球閥，防止鉆孔內(nèi)的瓦斯自然釋放。

2.3 掘進(jìn)工作面防水力沖孔孔洞瓦斯超限措施

按照條帶措施鉆孔的設(shè)計(jì)，22206運(yùn)輸順槽每向前掘進(jìn)8 m將會(huì)揭露1個(gè)水力沖孔鉆孔孔洞，由于原條帶措施鉆孔停抽，掘進(jìn)工作面揭露水力沖孔孔洞時(shí)會(huì)造成瓦斯異常升高，為防止該情況發(fā)生,采用施工淺孔抽放鉆孔超前預(yù)抽，但受鉆孔軌跡偏移的影響，需要施工多個(gè)淺孔抽放鉆孔，才能將孔洞內(nèi)積聚的瓦斯抽采，影響工作面掘進(jìn)進(jìn)度。

2.4 解決問題思路

初步分析水力沖孔孔洞積聚瓦斯原因?yàn)槊撀涞拿耗喽氯饪谆ü芩?，采用改造后的鍍鋅鐵管連接高壓水進(jìn)行二次透孔，效果甚微，還存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，透孔期間安全系數(shù)低的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)現(xiàn)場收集資料和瓦斯實(shí)驗(yàn)室對煤樣的分析，發(fā)現(xiàn)水力沖孔后，外圍的煤泥形成一層薄薄的凝固體，堵塞抽放通道，使鉆孔抽放流量急劇衰減，經(jīng)論證，在原條帶措施鉆孔中部施工輔助增透鉆孔，利用水力沖孔對原條帶措施鉆孔進(jìn)行二次擾動(dòng)增透，抽出孔洞內(nèi)積聚的瓦斯，減少工作面施工淺孔抽放鉆孔工序，提高掘進(jìn)效率。

3 試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

22206底抽巷里程244~284 m進(jìn)行試驗(yàn)，該段對應(yīng)22206運(yùn)輸順槽里程195~235 m，煤層厚度3.8~4.9 m，該范圍內(nèi)殘余瓦斯含量3.97~5.48 m3/t，殘余瓦斯壓力最大0.1 MPa。在22206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)前已抽采達(dá)標(biāo)，原條帶措施鉆孔已關(guān)閉暫停抽放。此次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)輔助增透鉆孔2組（下稱試驗(yàn)組1、試驗(yàn)組2），輔助鉆孔施工在原鉆孔中間，距離原鉆孔4 m，三花眼布置（圖2），沖孔水壓≥4 MPa，沖出煤量按穿煤段0.5 t/m進(jìn)行沖孔，試驗(yàn)組兩側(cè)輔助鉆孔施工結(jié)束后，考察對原抽放鉆孔的影響，輔助鉆孔施工完成后正常聯(lián)網(wǎng)抽放，每天測量試驗(yàn)組的瓦斯?jié)舛?、抽放?fù)壓和流量，分析變化情況。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)布置示意Fig.2 Layout of test points

3.2 增透鉆孔施工情況

在22206底抽巷超前22206運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面200 m的區(qū)域施工增透鉆孔，增透鉆孔水力沖孔期間，周圍管路明顯聽到顆粒撞擊抽放管路的聲響，疑輔助鉆孔水力沖孔期間擾動(dòng)原措施鉆孔，使凝固體脫落，抽放通道暢通，但該現(xiàn)象無實(shí)際數(shù)據(jù)考察，不做為效果的判定主要依據(jù)。

3.3 抽放參數(shù)對比

輔助增透鉆孔施工時(shí)，試驗(yàn)組已抽放10個(gè)月，抽放濃度均低于3%，之前處于停抽狀態(tài)，在施工輔助增透鉆孔時(shí)恢復(fù)抽放，自附近2組輔助鉆孔施工結(jié)束后，對試驗(yàn)組抽放參數(shù)進(jìn)行觀察分析。

3.3.1 抽放濃度

圖3~圖4為抽放濃度對比，由此可以看出，輔助鉆孔施工前，抽放濃度一直呈衰減趨勢，在輔助鉆孔施工后，原施工鉆孔抽放濃度呈上升趨勢，通過統(tǒng)計(jì)輔助鉆孔施工前70 d（之前每7 d測定一次）的抽采數(shù)據(jù)，最大組濃度達(dá)到41.2%，且在觀察期間，抽放濃度有升高趨勢，均大于輔助鉆孔施工前的抽放濃度。

圖3 試驗(yàn)1抽放濃度曲線變化Fig.3 Change of concentration curve for Experiment 1

圖4 試驗(yàn)2抽放濃度曲線變化Fig.4 Change of concentration curve for Experiment 2

3.3.2 輔助鉆孔與試驗(yàn)組抽放純量分析

為了更直觀的對比停抽前和輔助增透鉆孔施工后的抽放情況，此次對比將試驗(yàn)組停抽前10個(gè)循環(huán)（70 d，每7 d測定一次）的抽采參數(shù)納入對比。

統(tǒng)計(jì)鉆孔停抽前的10個(gè)循環(huán)（圖5~圖6），為了確切的掌握輔助鉆孔對原措施鉆孔產(chǎn)生影響的時(shí)間周期，從輔助鉆孔施工后每天測定一次（第11循環(huán)），原鉆孔純流量一直處于衰減狀態(tài)，輔助鉆孔施工后，輔助鉆孔的抽放純量偏低，通過查閱相關(guān)資料，在密閉內(nèi)受抽放負(fù)壓的影響，導(dǎo)致新施工的輔助鉆孔純流量降低，由于受輔助鉆孔水力沖孔擾動(dòng)煤體的影響，試驗(yàn)組1和試驗(yàn)組2的抽放純量均有上升波動(dòng)。

圖5 試驗(yàn)組1純流量曲線變化Fig.5 Pure flowcurve of Test group 1

圖6 試驗(yàn)組2純流量曲線變化Fig.6 Pure flowcurve of Test group 2

3.4 抽放純量分析

通過圖7~圖8可以看出，在無施工輔助鉆孔前，流量平均在0.3 m3/min左右，最大流量0.348 m3/min和0.35 m3/min，兩側(cè)輔助鉆孔施工后，流量降低，分別是0.106 m3/min，和0.15 m3/min，兩側(cè)鉆孔對其影響造成混合流量降低，由于輔助鉆孔的抽放，水力沖孔影響臨近鉆孔透氣，造成在抽鉆孔的抽放混合流量降低。

圖7 試驗(yàn)1抽放純量曲線變化Fig.7 Curve change of pure quantity of extraction for Experiment 1

圖8 試驗(yàn)2抽放純量曲線變化Fig.8 Curve change of pure quantity of extraction for Experiment 8

3.5 掘進(jìn)工作面驗(yàn)證瓦斯情況

根據(jù)圖9顯示，輔助增透鉆孔施工之前22206運(yùn)輸順槽回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍?.2%左右，揭露水力沖孔孔洞期間最大0.38%，施工之后，工作面生產(chǎn)期間的甲烷最大0.11%，一般都在0.08%左右，由此可見，對降低工作面瓦斯方面也較為明顯。

圖9 輔助增透鉆孔施工前后回風(fēng)瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.9 Comparison of return air gas concentration before and after auxiliary antireflection drilling construction

3.6 煤巷掘進(jìn)工效統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)輔助增透鉆孔后，減少工作面每班施工淺孔抽放鉆孔的工序，22206運(yùn)輸順槽平均掘進(jìn)進(jìn)度為3.6 m/d，較之前每天掘進(jìn)2.4 m提高了1.5倍。

4 結(jié) 論

（1）輔助鉆孔施工后，能有效抽采煤體內(nèi)釋放出大量的游離瓦斯，有效避免了掘進(jìn)期間揭露水力沖孔孔洞瓦斯瞬間涌出現(xiàn)象，提高煤巷掘進(jìn)效率。

（2）在鉆孔連接匯流處添加除渣箱，防止鉆孔增透后煤粉顆粒抽入抽放管路。

（3）輔助鉆孔增透工藝可在相似瓦斯地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用。