底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突技术在张集矿的应用

倪廉钦，王佰顺，胡祖祥

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)



底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突技术在张集矿的应用

倪廉钦，王佰顺，胡祖祥

(安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001)

[摘要]针对张集矿8煤层瓦斯压力高、瓦斯涌出量大和煤层透气性系数低等特点，为掩护煤巷安全快速掘进，基于煤层瓦斯流动与赋存特性及预抽钻孔的优化布置，采用底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突技术。现场研究表明：钻孔预抽40d后，煤层残余瓦斯压力为0.42MPa，残余瓦斯含量为2.80m3/t，分别下降了59.6%和38.2%；累计抽采瓦斯达6.4×104m3，抽采率达到38.22%，抽采纯量达1.74m3/min，穿层钻孔预抽煤层瓦斯取得较好效果，有效地消除了煤与瓦斯突出危险性，实现了快速消突的目的。

[关键词]穿层钻孔；预抽瓦斯；优化布置

Application Of Removing Outburst With Pre-drainage Gas In

the Coal-seam Floor In Zhangji Colliery

[引用格式]倪廉钦，王佰顺，胡祖祥.底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突技术在张集矿的应用[J].煤矿开采，2015，20(6)：108-111.

随着开采深度的增加和地应力的增高，煤层透气性随之降低，对于高瓦斯压力、高瓦斯含量煤层，钻孔抽采瓦斯消突时间过长，严重影响了煤矿的采掘接替。由于受地质条件的影响，有些保护层转变为有突出危险性，使具有开采保护层条件的突出矿井越来越少，依据《防治煤与瓦斯突出规定》，应采用穿层钻孔区域预抽煤层瓦斯技术进行消突[1]。在煤层底板向目标煤层施工穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术既可以实现煤与瓦斯共采，也可以进行快速消突，实现煤矿安全开采。通过钻孔的优化布置，提高预抽瓦斯消突效果，使煤层突出危险性大大降低，有效缓解采掘交替紧张局面，实现工作面的安全高效生产[2-4]。

针对张集矿8煤层瓦斯含量大、压力高和透气性低等特点，并结合该煤层的地质条件，在煤与瓦斯突出危险区域施工底板预抽巷，在巷道内实施穿层钻孔预抽煤层瓦斯，并进行了消突效果考察。

1工作面概况

张集矿14218工作面主采8煤层，该区域煤层为突出煤层。14218工作面位于西二采区，工作面标高为-570～-590m，煤层厚度0.60~5.53m，平均为3.02m，透气性系数为0.01019m2/(MPa2·d)。实测煤层原始瓦斯含量为5.397m3/t，原始瓦斯压力为1.04MPa。其顶底板为泥岩、砂质泥岩。巷道距8煤底板14~18m。14218工作面煤层最大绝对瓦斯涌出量为43.24m3/min。

2穿层钻孔区域预抽瓦斯消突机理

通过向突出煤层实施密集钻孔，使钻孔周围煤层局部卸压。在抽采负压的作用下，通过预先抽出煤层瓦斯，可以降低突出危险性煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量，释放煤体内的突出潜能，消弱突出发生的主动力和能量。释放煤体中的瓦斯后，煤层发生收缩变形，煤层透气性大大增加，煤层应力集中程度明显降低。通过增大煤体强度，以增强煤体的机械强度和稳定性，有效地阻碍煤与瓦斯突出，从而达到消除或减弱煤层突出危险性的效果[5-6]。

在抽采初期，随着煤体中的游离瓦斯被抽出，瓦斯压力迅速下降，但煤层瓦斯含量的下降速度则比较缓慢，这是因为煤层中的瓦斯主要是由吸附瓦斯构成。当瓦斯压力较高时，煤层吸附瓦斯的解吸速率十分缓慢；当瓦斯压力下降至1.0MPa以下时，随着瓦斯压力的下降，瓦斯的解吸速率随之增加，瓦斯含量迅速减少[7]。随着钻孔预抽瓦斯的进行，煤体发生收缩变形，在地应力的作用下，抽采钻孔周围煤层应力重新分布，在钻孔周围形成卸压区。同时，在抽采负压的作用下，煤层中大量的瓦斯被抽出，导致煤层瓦斯压力降低，从而引起煤层透气性的增加。在采用底板穿层钻孔预抽瓦斯消突技术中，通过预抽煤体中的瓦斯，使瓦斯压力和煤体瓦斯含量大大降低，有效释放煤体中的瓦斯潜能，同时增强煤体自身的坚固性和稳定性，达到防止煤与瓦斯突出的目的[8-10]。

3穿层钻孔区域防突技术现场应用

3.1抽采半径考察

图1　钻孔平面示意

现场抽采半径测定钻孔布置平面如图1所示。钻孔实施完成后进行40d抽采，抽采过程中1号～6号各钻孔瓦斯压力变化如图2所示。

图2　8煤抽采半径测定钻孔瓦斯压力变化曲线

由图2可知：抽采1个月后，2号孔瓦斯压力由0.5MPa降为0.35MPa，下降幅度达到30%；3号孔瓦斯压力由0.99MPa降为0.67MPa，下降幅度达到32.3%；4号孔瓦斯压力由0.86MPa降为 0.41MPa，下降幅度达到52.3%；5号孔瓦斯压力由1.05MPa降为0.83MPa，下降幅度达到21%；1号孔瓦斯压力由0.38MPa降为0.34MPa，下降幅度达到10.5%；6号孔瓦斯压力由1.1MPa降为1.06MPa，下降幅度为3.6%。在抽采负压为21kPa，抽采时间为一个月情况下，测得8煤煤层抽采影响半径为4.0m

3.2钻孔优化布置

有效抽采半径影响范围实际上可视为一个理想的圆形覆盖区，则预抽钻孔的优化布置可看成是圆形的排列问题，在排列中这些圆并不是相互独立的，而是相互影响的。

图3　钻孔布置分析示意

图4　矩形钻孔布置示意

若钻孔布置方式按三角形排列，如图5所示。

图5　钻孔优化布置分析示意

3个圆的面积分别为SA，SB，SC，3个圆公共面积为SABC，两个圆的公共面积分别为SAB，SAC，SBC，所以总共面积S=SA+SB+SC-SAC-SAB-SBC-SABC。若使S的数值最大，则必须保证SABC的面积最小，即为0。

如图6所示，为计算钻孔间距，设3个圆相交后的圆心角分别为α，β，γ，实测有效抽采半径则为三圆孔的半径，则：

图6　钻孔间距计算示意

S=3πR2-[(αR2-sinαR2)+(βR2-sinβR2)+(γR2-sinγR2)]

(1)

α+β+γ=π

(2)

由公式(1)，(2)可推导出：

S=2πR2+R2(sinα+sinβ+sinγ)

(3)

式中，B为巷道宽度，m；R为有效抽采半径，m。

巷道延伸方向钻孔的布置，间距应均匀，控制区域的有效控制范围应相接或稍有重叠，不留“孤岛”，钻孔布置数量可按下式计算：

(4)

式中，L为沿巷道延伸方向底板巷钻场的间距，m；R为有效抽采半径，m。

图7　预抽钻孔布置局部示意

图8　预抽钻孔剖面示意

4效果考察

4.1残余瓦斯压力测定

为准确测定8煤残余瓦斯压力，有效考察穿层钻孔预抽瓦斯消突的效果，本次试验实施两组考察孔，用于穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术效果的考察，该处钻孔预抽时间为1个月，残余瓦斯压力变化趋势如图9所示。

图9　8煤残余瓦斯压力观测曲线

分析图9可知，1号考察孔残余瓦斯压力由0上升到0.23MPa后，瓦斯压力保持稳定不变；2号考察孔残余瓦斯压力由0上升到0.42MPa后，瓦斯压力保持稳定不变。当连续观测瓦斯压力数据稳定在某一定值，或观测值连续3d在某一值上下0.015MPa内波动，则所得瓦斯压力最大稳定值即为该地点煤层瓦斯压力。因此，通过现场测定和分析可知，8煤实施穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术1个月后，测得煤层残余瓦斯压力最大值为0.42MPa。

4.2残余瓦斯含量测定

利用8煤层1号、2号、3号和4号钻孔分别进行取样测定煤层瓦斯残余含量，测定结果如表1所示。

表1　8煤残余瓦斯含量测定结果

分析表1可知，8煤实施区域穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术预抽煤层瓦斯1个月后，测得8煤残余瓦斯含量分别为2.27m3/t，2.80m3/t，2.42m3/t，2.69m3/t，即残余瓦斯含量介于2.27～2.80m3/t之间。

4.3抽采纯量测定

穿层钻孔预抽煤层瓦斯后，对抽采管路监测到的抽采数据进行读数、记录，瓦斯抽采观测数据如图10所示。

图10　14218底抽巷抽采纯量趋势

由图10可知，在抽采初期，瓦斯抽采纯量为1m3/min左右，随着抽采的进行，抽采纯量呈波动性快速上升趋势，最大时达到2.58m3/min左右。经过一段时间抽采，煤层残余瓦斯含量大大减少，说明在实施穿层钻孔区域预抽瓦斯技术后，煤层透气性增强，大大提高了穿层钻孔预抽瓦斯的抽采效率，达到了快速消突的目的。

4.4穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突评价

在张集矿14218底抽巷采用穿层钻孔预抽8煤层瓦斯消突技术预抽1个月后，煤层残余瓦斯压力为0.42MPa，残余瓦斯含量2.8m3/t，与8煤层原始瓦斯压力1.04MPa，原始瓦斯含量4.532m3/t相比，分别下降了59.6%和38.2%，并均小于突出临界值0.74MPa和8m3/t。据此可判断区域消突措施效果检验合格，预抽达标。

在抽采1个月后，钻场累计抽采瓦斯6.4×104m3，抽采率达38.22%，平均抽采浓度为28.34%，平均抽采纯量为1.74m3/min，抽采效果明显提升。

5结论

(1)通过对预抽钻孔优化布置，形成钻孔抽放网络，提高钻孔利用效率，消除了钻孔预抽空白区域，提高了穿层钻孔预抽煤层瓦斯效果。

(2)底板穿层钻孔预抽瓦斯消突技术使钻孔周围煤层地应力降低，有效减小煤层瓦斯含量、瓦斯压力，改善煤层透气性，降低了瓦斯突出动力，达到区域消突的目的。

(3)底板穿层钻孔预抽瓦斯消突技术具有广泛的适应性，能够实现工作面安全快速掘进。

[参考文献]

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[2]张明杰，滑俊杰，华敬涛.单一煤层底板巷穿层钻孔预抽煤巷瓦斯条带区域防突技术[J].煤矿安全，2011，42(6)：30-32.

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[责任编辑：施红霞]

[作者简介]倪廉钦(1991-)，男，安徽利辛人，在读硕士研究生，研究方向为矿井瓦斯灾害防治理论与技术。

[基金项目]安徽省科技攻关计划重大项目(07010301021)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.029

[收稿日期]2015-07-01

[中图分类号]TD713.3

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2015)06-0108-04