煤巷掘进工作面瓦斯抽采技术研究

2012-01-17申宇鹏

山西焦煤科技 2012年10期

申宇鹏

(西山煤电股份公司镇城底矿，山西古交 030203)

本文通过理论分析、数值计算和现场试验，分析了高瓦斯低透气煤层瓦斯自然排放半径、瓦斯抽放半径、瓦斯放散指数、煤的坚固系数和巷道周围松动范围等基础参数。根据巷道围岩的应力状态、变形特征和静压条件下巷道支护弹塑性状态圈模型，采用商用ANSY软件强大的有限元分析功能，系统研究了爆破孔与导向孔之间应力状态分布、爆破孔间距、爆破孔孔径和装药耦合系数对卸压增透的影响。采用六点差分法建立有限差分方程式，利用钻孔瓦斯流动模型的计算软件，模拟了抽放钻孔周围煤层瓦斯流动状况和钻孔周围煤层瓦斯压力与孔壁距离、抽放时间之间的关系，为深孔松动预裂爆破技术的现场实施和监测提供了有力的技术保障。提出了一种低透气性高瓦斯煤层瓦斯治理的新方法，即先卸压增透后抽放的方法，形成了卸压增透、瓦斯抽放、边抽边掘的瓦斯突出和超限的综合防治体系，形成了一套煤巷掘进工作面采用深孔松动预裂爆破施工工艺和安全技术措施，取得了较好的社会经济效益。

1 问题提出

高瓦斯矿区随着矿井开采范围的不断扩大，开采深度的增加，煤与瓦斯突出成为威胁矿井安全生产的主要因素之一。统计表明，煤层内采掘工作面的突出次数最多，占突出次数的94%。“煤与瓦斯突出防治细则”规定，在煤与瓦斯突出煤层中施工，必须采用“四位一体”的防突措施，其中采取的防突措施合理与否，不仅影响煤层防突效果的好坏，而且对煤巷掘进效率产生直接的影响。如淮南矿区C13煤层属于低透气性突出危险煤层，煤巷掘进过程中过去一般采用超前卸压钻孔排放或顺层钻孔抽放。实践表明，不仅效果不明显，而且由于掘进与抽排瓦斯矛盾突出，不适应高产高效的生产方式，制约了煤巷掘进生产效率的提高。本文探讨了采用深孔预裂控制松动爆破结合巷旁走向钻孔抽排瓦斯技术，有效地降低或消除煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出，取得了较好的效果，产生了巨大的经济效益。

2 试验区域瓦斯地质概况

试验掘进巷道为某矿550西一采区煤巷工作面下顺槽，水平标高550 m，煤层地质结构较复杂，小断层较多，上阶段煤层正在回采，本阶段煤层未掘进，煤层厚度4．58 ～6．34 m，平均 4．45 m，采用沿顶掘进，煤层倾角 6°～27°，平均 16°。属于半亮—光亮型煤层。

该区段煤层属高瓦斯煤层，煤层瓦斯含量为8～10 m3/t，有自东向西增加的趋势，并且有突出危险性，煤层透气性低，其原始透气性系数仅为1．135×10－2m2/(MPa．d)。煤尘有爆炸危险性，其爆炸指数为33．3%;煤层有自燃发火危险性，自燃发火期3～6个月，地温22℃ ～23℃，地压较大。

3 控制松动爆破作用

含瓦斯煤体中进行深孔控制预裂爆破既不同于普通预裂爆破又不同于松动爆破，其目的是为了增加煤体的裂缝长度和范围，以提高爆破煤体的透气性，因此，它不仅要求在相邻孔间连线方向形成贯穿裂缝，而且要求其它方向尽可能多地产生裂隙，使煤体内形成以炮孔为中心相互连通的裂隙网，为此在爆破孔周围增加辅助自由面—控制孔。

深孔控制松动爆破是在工作面前方存在一定卸压煤体防护下，在前方引爆几个深孔炮眼形成煤体松动爆破，其中控制孔(不装药)在爆破过程中起到控制爆破方向与补偿爆破裂缝空间作用。爆破后，炮眼周围煤体的破裂与松动形成卸压圈，从而使煤层透气性系数大大增加。这样，一方面，使煤体瓦斯得以缓慢排放、瓦斯含量减少、瓦斯压力下降，同时，提高了煤体的坚固性;另一方面，使煤体原集中应力带及高压瓦斯带移向煤体深部，这样有利于消除煤质因软硬不均而引起的应力集中，及由于地质构造引起的应力集中，降低煤体瓦斯压力梯度和应力梯度，有利于防止煤与瓦斯突出的发生和发展，为工作面掘进创造较长的安全区和保护区。另外，由于深孔预裂爆破使工作面前方一定范围煤体裂隙增大，增加了煤体透气性，可以提高低透气性煤层工作面巷旁走向长钻孔瓦斯抽放率，实现煤巷掘进快速掘进。

4 具体施工工艺

4．1 深孔预裂控制松动爆破

4．1．1 深孔预裂控制爆破参数设计

1)爆破孔和控制孔孔径。

由理论分析可知，爆破孔径越大，装药量越多，爆破能量越大，导向及补偿作用越显著，因而，越有利于裂隙的形成和发展。但模拟计算和类似矿井条件经验可知，随着爆破孔孔径的增大，透气性系数提高，但不成正比例，当孔径达到一定值后，透气性系数提高的幅度随着爆破孔孔径的增大而逐渐减少，说明单纯增大爆破孔孔径来提高透气性效果有限，一般爆破孔径在42～75 mm较为合理，取d42 mm。

对于控制孔，在爆破孔与控制孔的水平线上，煤体受拉应力，当爆炸应力一定时，随着控制孔孔径的增大，其所受拉应力以四次幂级数增加，即随控制孔孔径增大，对裂隙的形成和扩展越有利，由于受打钻设备和工艺安全等因素的限制，增大孔径会带来诸多不利因素，根据实际条件，选择控制孔孔径为d50 mm。

2)爆破孔控制孔间距。

当煤层条件一定时，孔间距的大小应与爆破孔和控制孔的直径相匹配，在一个较合理的范围内，才有利于裂隙的形成和发展，有利于提高煤层的透气性。理论计算结果分析表明，合理的孔间距应不大于1 m，结合实际情况确定爆破孔和控制孔之间的距离为600 mm。

3)爆破孔和控制孔个数。

炸药在无限介质中爆炸，由于爆炸产生的高温高压爆生气体使介质周围产生粉碎、松动和裂隙弹性震动，其影响范围达到装药半径的数倍，而松动裂隙区煤岩松动，产生径向、纵向裂隙，其范围达到更远的区域。

根据西一采区掘进工作面煤层地质、采矿条件及巷道断面布置潇合煤层的瓦斯赋存情况，在现场试验煤层条件下，综合考虑到现场施工及爆破孔松动半径的测定结果等因素，确定掘进工作面布置爆破孔3个，控制孔5个。

工作面钻孔布置示意图见图1，钻孔布置参数见表1，掘进距3．0 m，超前距5．0 m。

图1 工作面钻孔布置示意图

4．1．2 施工工艺

1)钻孔。

考虑西一采区下顺槽掘进工作面的实际条件，采用煤电钻施工，同时根据爆破孔和控制孔孔径的要求对钻头直径进行改造。要求在f＜0．3条件下，使成孔率达80%以上，保证钻孔方向满足设要求。

表1 深孔松动控制爆破钻孔布置参数表

2)装药结构和装药工艺。

钻孔完孔后，装药前对爆破孔用压气仔细吹净钻孔内钻粉。为了提高炮孔利用率、爆破效果和装药速度，采用特制药卷，正向起爆的装药结构，如图2所示。每个爆破孔中放雷管2个，采用串联起爆，雷管脚线用特制塑料电线加长，以防止瞎炮，炸药卷用活节木炮棍送入孔底。

图2 爆破孔装药结构图

3)封孔工艺。

对爆破孔，两段药卷之间及第二段药卷后部装入不少于0．5m的水炮泥，水炮泥外充填长度不小于2m的略潮的黄泥，并封严实。

对控制孔，孔口用适量的水炮泥和黄泥封孔，放炮后最好能及时处理掉封孔煤泥，以利于排放煤层瓦斯。

4．2 巷旁钻孔抽排瓦斯

巷旁走向钻孔抽排瓦斯的作用主要是对深孔预裂控制松动爆破措施的补充和加强，充分利用预裂控制松动爆破对煤体产生的裂隙，提高煤层瓦斯抽放率;另外，在煤巷掘进过程中起到辅助探煤的作用。为了利用松动爆破使煤体透气增大的特点，增加本煤层卸压抽排瓦斯量，又尽可能减少钻孔工程量，在煤巷两旁分别布置钻场，钻场间距40 m，钻场之间的压岔距离为10 m，每个钻场布置4个钻孔，见图3，钻孔布置参数见表2。

图3 巷旁瓦斯抽放钻场及钻孔布置示意图

表2 巷旁钻场钻孔布里参数

5 结论及分析

5．1 煤巷瓦斯涌出趋于均匀

高瓦斯低透气性煤层掘进工作面，往往在放炮瞬间会使煤层瓦斯突然大量涌出，造成工作面瓦斯浓度超限，对掘进工作面安全生产造成严重威胁。采取上述综合措施后，由于爆破产生裂隙及集中应力带前移，工作面前方煤体透气性系数增大，使放炮前煤体预排瓦斯量大大增加，现场测定结果表明，工作面瓦斯涌出均匀，炮后瓦斯超限基本消除。