近距离突出煤层群煤巷瓦斯预抽设计研究

2015-08-31张凤杰袁德权任海慧马钱钱

采矿与岩层控制工程学报 2015年4期

张凤杰，袁德权，任海慧，马钱钱，王凯

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037;2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆400037;3.贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州贵阳550023;4.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司通风处，山西晋城048205)

突出煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大，严重影响矿井瓦斯的高效安全治理［1－3］，尤其是近距离突出煤层群的开采，其抽采方式的选择和抽采钻孔的合理参数直接影响到瓦斯抽采效果的好坏。

某矿为基建矿井，设计产量1.2Mt/a，井田内赋存上下2个煤组，煤组间距约90～145m，平均间距为115m。上煤组主要可采煤层为6号、7号煤层，下煤组主要可采煤层为16号、23号、27号煤层等。

井田范围内煤层瓦斯含量高，透气性差，该矿6号、7号、16号煤层均鉴定为突出煤层，矿井属于突出煤层群开采，且上煤组的突出危险性高于下煤组。鉴于近距离煤层群采动影响后邻近层瓦斯涌出治理难度大，为了实现矿井瓦斯有效治理和矿井安全生产，对该矿进行近距离突出煤层群开采煤巷条带预抽瓦斯设计研究。

1 煤巷条带瓦斯预抽方式设计

瓦斯抽采巷层位和位置的合理选择，对瓦斯抽采巷掘进期间的安全掘进、煤巷条带抽采的钻孔工程量、邻近层卸压瓦斯的抽采方法和钻孔工程量有重要影响［4－5］，基于上述原则确定矿井上下煤组瓦斯抽采巷的层位和位置。

1.1 下煤组瓦斯抽采巷层位和位置的确定

矿井首采下煤组的分区为一、三分区，首采下煤组的16号煤层，下煤组16号煤层与上煤组7号煤层之间层间距较大 (平均约为130m)。16号煤层顶板30m范围内赋存砂质泥岩、砂质灰岩 (辅标)、粉砂岩、细砂岩，全区稳定。

在下煤组中，一分区16号与17号煤层平均层间距为7.52m;17号与20号煤层平均层间距为21.59m;三分区16号与17号煤层平均层间距为8.46m;17号与20号煤层平均层间距为18.05m。

从一、三分区下煤组的煤层赋存间距及层间岩性来看，结合《防突规定》二十一条要求，在16号煤层顶板10～30m范围内具备布置顶板专用瓦斯抽采巷的条件。

顶板瓦斯抽采巷的层位应大于煤层最大垮落带高度，根据以下公式计算下煤组16号煤层的最大垮落高度［6］:

式中，Hm为最大垮落带高度;M为煤层采厚;K为冒落岩石碎胀系数，按照煤层层间岩性考虑，取1.2;α为煤层倾角，15°;W为冒落过程中顶板的下沉值，通常取0.2m。

经计算得出:一分区16号煤层Hm=9.24m;三分区16号煤层Hm=11.91m。因此16号煤层的顶板瓦斯抽放巷宜选择在距离16号煤层法距约12m处。顶板专用瓦斯抽放巷布置如图1所示。

鉴于下煤组16号煤层顶板存在不可采的煤线15号煤层，其距离16号煤层间距为12.25～35.45m，平均层间距17.83m。因此，16号煤层顶板瓦斯抽采巷应采取边探边掘的方式，确保顶板瓦斯抽采巷距离16号煤层法距为12m，同时探明顶板瓦斯抽采巷层位与15号煤层的层位关系，当探测顶板瓦斯抽采巷距离15号煤层的最小法向距离小于5m时，必须对15号煤层采取区域综合防突措施，确保顶板瓦斯抽采巷掘进工作面前方15号煤层无突出危险性后方可进行掘进。其边探边掘钻孔布置示意图如图2所示。

图1 顶板专用瓦斯抽放巷布置示意

图2 16号煤层顶板瓦斯抽采巷边探边掘示意

1.2 上煤组瓦斯抽采巷层位和位置的确定

矿井首采上煤组的分区为二分区，首采上煤组的7号煤层，上煤组7号煤层顶板存在6－1和6号煤层，且为突出煤层，7号与6－1号煤层之间为10.90～25.50m，平均层间距17.70m，煤层间距变化较大，在7号煤层顶板布置专用瓦斯抽采巷存在误穿突出煤层的安全风险。因此，7号煤层不具备布置顶板专用抽放巷的条件。

二分区7号煤层底板为细砂岩、粉砂岩和石灰岩，在底板9.56～29.40m之间，平均16.59m处赋存有一层平均2.34m的石灰岩标五，该标志层全区稳定。因此，在7号煤层底板标五层位处布置底板专用瓦斯巷。

设计底板瓦斯抽采巷布置在工作面巷道法线方向:从与工作面巷道法线相交的标高位置沿岩层走向方向布置瓦斯抽采进风巷、回风巷;瓦斯抽采回风巷、进风巷在切眼处贯通后形成全负压通风系统。

设计优点是:不用揭煤，安全性高;不需要另开石门，有利于解决采掘接替紧张的局面;钻孔均为上向孔，抽采效果好;钻孔施工长度短，工程量小;避开卸压范围，巷道维护费用低。底板瓦斯抽采巷布置方式如图3所示，在工作面内错40m进行布置。

图3 底板瓦斯抽采巷布置示意

由于上煤组7号煤层底板存在9号、8号煤线，厚度为0.3m，并在标五下部10m范围内赋存砂质泥岩或粉砂岩、10号煤线、粉细砂岩互层等，因此，7号煤层沿标五掘进底板瓦斯专用抽采巷应采取边探边掘的方式，确保底板瓦斯抽采巷掘进工作面前方上部的8号、9号煤层和下部的10号煤层消除突出危险性后方可进行掘进。

2 煤巷条带预抽参数确定

煤巷条带预抽钻孔的主要参数为钻孔终孔间距。该参数是影响煤巷条带预抽钻孔在一定时间条件下抽采效果的主要因素，合理钻孔间距应遵循抽采时间长、钻孔施工短的原则进行选择。通过比较在不同钻孔间距条件下，钻孔施工与抽采时间是否能够满足现有的钻孔施工条件和抽掘采衔接要求，确定合理的钻孔间距。

由于该矿处于基建阶段，可参照相似矿区煤巷条带瓦斯预抽效果及经验进行综合分析。

2.1 抽采达标时间确定

该矿煤层瓦斯含量为15～22m3/t，6号、7号、16号煤层透气性系数为0.0529～0.2394 m2/(MPa2·d)。

类似矿区瓦斯抽采效果如表1所示。由表1可知，该矿煤层瓦斯含量在15～22m3/t的条件下，若不采取强化抽采措施，则煤巷条带预抽钻孔间距为5m时，其抽采达标时间不小于2a;间距为3m时，抽采达标时间不小于1a。

表1 类似矿区瓦斯抽采效果统计

由于抽采达标时间过长将不利于矿井按期投达产，因此，可以利用煤层增透措施来强化煤层瓦斯抽采［7－8］，缩短抽采达标时间。近年来，水力压裂煤层增透工艺在重庆松藻、淮南等矿区推广使用效果显著，如表2所示。

从表2可知，相似矿区在水力压裂前后煤层透气性系数增加100倍左右，达标时间减少一半左右，抽采钻孔间距由原来的3m增加到6m左右。在该矿采用水力压裂，在钻孔间距不大于6m时，其抽采达标时间减少至1a以内是可行的。确定压裂后穿层钻孔间距为3～5m，压裂后抽采达标时间为1a以内。

表2 不同矿区水力压裂增透措施效果对比

2.2 钻孔间距研究

通过不同钻孔间距条件下对井下钻孔作业人数、施工时间和对矿井抽掘采衔接影响程度3个方面进行对比分析，综合确定合理的钻孔间距。

2.2.1 作业人数分析

以岩巷掘进速度100m/月、煤巷条带预抽钻孔施工速度能够跟上岩巷掘进速度为例，预抽钻孔间距为3m和5m时，其掘进的岩巷内同时作业人数分析如表3所示。

采用预抽钻孔间距为3m相比钻孔间距为5m时，钻孔工程总量增加2.5倍左右，巷道内同时作业的人数多4～10人，而根据该矿区的实际情况来看，巷道内的作业人数在10人左右较为合适。因此，煤巷条带预抽钻孔间距宜采用5m。

表3 巷道同时作业人数分析

2.2.2 施工时间和采掘接替关系分析

预抽钻孔间距为3m和5m，工作面走向长2000m，3台钻机同时施工钻孔时，对施工时间和采掘接替进行分析，如表4所示。

表4 施工时间与采掘接替对比

(1)施工时间当选择钻孔间距为3m时，16号和7号煤层的钻孔施工对于岩巷施工时间分别滞后岩巷7.8个月和21.2个月;而采用钻孔间距为5m时，钻孔工程量小，且煤巷条带穿层钻孔施工速度能够跟上岩巷的掘进速度。因此，煤巷条带预抽钻孔间距宜采用5m。

(2)采掘接替以岩巷开始掘进为起始时间、以巷道掘进到切眼位置为终止时间为例，当选择钻孔间距为3m时，在抽采达标条件下一分区16号煤层和二分区7号煤层工作面准备时间分别为33.8个月和47.2个月;选择钻孔间距为5m时，在抽采达标条件下一分区16号煤层和二分区7号煤层工作面准备时间为32.8个月 (其中增透时间为0.8月)，采掘接替不紧张。因此，煤巷条带预抽钻孔间距宜采用5m。

综上所述，确定煤巷条带预抽钻孔间距为5m。