突出煤层立体式瓦斯治理模式与效果检验

2021-01-06梁道富张云宁

煤矿现代化 2021年1期

梁道富，张云宁

（1.贵州黔西能源开发有限公司，贵州黔西551500；2.兖州煤业股份有限公司济南煤炭科技研究院分公司，山东济南250000）

0 引言

煤与瓦斯突出事故是煤矿最严重灾害之一，随着开采深度的不断加深，煤层瓦斯含量和压力逐渐增大，许多煤层在采掘过程中具有突出隐患。研究人员采用了许多瓦斯治理方案[1-4]进行治理，但是不同矿井煤层具有不同地质特征和基础力学特征，单一治理方法无法达到治理效果。应针对不同矿井选择合适的治理方法[5-7]，制定具有针对性的瓦斯治理模式。董康乾[8]等人针对董家河煤矿22518 综采工作面开展瓦斯防治技术研究并进行现场效果检验。付亚楼[9]对综采工作面区域防突抽采技术进行了研究与应用。王宝贵，贾炳[10]针对马兰矿18504 工作面瓦斯灾害防治措施开展优化研究。范兴方[11]针对安顺煤矿地质条件进行综合治理技术研究。

青龙煤矿煤层具有高瓦斯含量，高瓦斯压力，低渗透性的特点。在掘进煤巷时，煤层瓦斯含量和压力超标，具有煤与瓦斯突出事故隐患。因此，必须对掘进工作面制定全面的瓦斯治理方案，针对现状，提出掘进面立体式高效瓦斯治理方案，包括突出煤层区域瓦斯治理，水力冲孔增透强化抽采瓦斯和突出煤层掘进工作面瓦斯治理措施。致力从多个角度对掘进工作面瓦斯治理制定了全面的措施，以期消除突出隐患，保证生产安全。

1 工程概况

青龙煤矿属贵州黔西能源开发有限公司，位于黔西县东南部，井田地形条件总体上受区域性地质构造和岩性控制。井田内地势总趋势呈南东高、北西低。东部及南部较平缓，西及西北部地势起伏较大。经测定，16 煤层瓦斯含量为12.16～19.88m3/t，平均含量为16.02m3/t，18 煤层瓦斯含量为6.20～24.37m3/t，平均含量为15.28m3/t，具体如表1 所示。16，18 煤层瓦斯压力如表2 所示。

1615 运顺施工层位为16 煤及其底板粉砂岩。根据11615 工作面施工抽采钻孔前16 煤层取样化验结果，16 煤层最大瓦斯含量为17.9487m3/t（包含3.83m3/t 的不可解析瓦斯含量）。

表1 16、18 煤层瓦含量测定结果

表2 16、18 煤层瓦斯压力测定结果

2 立体式瓦斯治理方案

2.1 突出煤层区域瓦斯治理措施

2.1.1 底抽巷抽采瓦斯

综合矿井煤层地质条件和瓦斯治理需求，选择设计底板瓦斯抽采巷，利用穿层钻孔预抽瓦斯。底板瓦斯抽采巷设计以L9 上灰岩作为顶板标志层，在距18 煤底板8～10m 层位处布置，并在瓦斯底抽巷内每隔6.5m 布置一个钻场，其中个钻场布置6～8 个钻孔，钻孔直径为94mm，封孔深度8m 全孔下套管，钻孔控制到上部16 煤层巷道轮廓线外15 米范围，底板瓦斯抽采巷穿层钻孔布置示意图如图1 所示。

2.1.2 定向抽采钻孔设计

通过在16 煤底板施工定向钻孔主孔（主孔主要分为两种方式施工，一种是钻场在16 煤底板，钻孔在16 煤底板施工主孔；另一种是钻场在底抽巷，钻孔穿过灰岩、18 煤到16 煤底板施工），主孔间距10m，孔深120～600m 左右，在主孔每隔60～80m 开分支进入煤层，分支孔煤段长度在30～100m 左右，具体如图2 所示。

图2 掘进工作面定向抽采钻孔布置剖面图

2.2 水力冲孔增透强化抽采瓦斯措施

为了保障工作面巷道掘进和开切眼施工的安全，通过在11615 运顺及轨顺底抽巷，为降低11615工作面瓦斯含量和压力，预先结合水力冲孔增透措施对煤层瓦斯抽采。

此次卸压增透促进煤层瓦斯抽采选择水力冲孔与普通钻孔结合的方式，对1# 钻场进行现场试验，选取1# 钻场3#、6# 和7# 钻孔进行高压水射流破煤试验，其他钻孔为普通抽采钻孔。经查阅文献资料并结合现场实际情况，综合水力冲孔和不冲孔有效半径确定各个钻孔孔间距为4.5m，钻孔均设计直径为113mm，各钻孔倾角具体见图3。

2.3 突出煤层掘进工作面瓦斯治理措施

工作面预测有突出危险时，主要采取施工超前钻孔或松动爆破作为工作面局部防治突出措施。

2.3.1 超前钻孔

超前钻孔施工时根据煤层的厚度及巷道断面进行布置施工，超前钻孔直径不小于76mm，必须控制在巷道轮廓线外5m 位置，超前钻孔的终孔间距根据钻孔的超前钻孔半径而定，钻孔的终孔间距小于钻孔超前钻孔半径的2 倍。超前钻孔的布置与石门揭煤工作面超前钻孔的布置方式相同。最后一个超前钻孔施工完毕后必须有不小于8h 的超前钻孔时间，保证煤层得到充分的卸压和抽采。超前钻孔布置如图4 所示。

图3 穿层钻孔剖面图

图4 煤巷掘进工作面超前钻孔布置图

2.3.2 深孔松动爆破

实施深孔松动爆破时在工作面施工3 个深度为8～10m 爆破孔和4 个长度大于爆破孔长度的卸压孔，爆破孔的孔径为42mm，卸压孔的孔径为75mm 以上，爆破孔的终孔控制在巷道轮廓线外3m。爆破孔和卸压孔就交替布置，具体如图5 所示。利用爆破孔爆破产生的动能和卸压孔提供的导向使煤体原有裂隙扩展，达到瓦斯和应力卸压，煤层增透的目的。

图5 煤巷掘进工作面深孔爆破布置图

3 瓦斯治理方案效果检验

3.1 瓦斯治理效果检验钻孔布置

在现场进行如图6-图8 所示的测点，用于检验立体式瓦斯治理效果。

图6 区域预抽瓦斯措施检验测试点布置图

图7 区域穿层钻孔预抽瓦斯措施检验测试点布置图

3.2 区域预抽瓦斯效果检验

11615 工作面运顺底抽巷顶板穿层钻场20 组、21 组和22 组钻场的瓦斯抽采浓度随时间的变化，如图9 所示。在抽采初期瓦斯浓度都在50%左右，经历1 年时间的抽采瓦斯浓度逐渐降低，在抽采末期抽采瓦斯浓度低于10%。

图8 顺层钻孔或定向钻孔抽采煤层条带措施检验测试点布置图

图9 11615 工作面底抽巷顶板穿层钻场瓦斯抽采浓度随时间变化关系

3.3 水力冲孔卸压增透抽采瓦斯效果考察

根据1#钻场水力冲孔与普通钻孔相结合的网络化钻孔组合卸压增透的试验，选取进行水力冲孔的3#，6#，7#钻孔。根据水力冲孔出煤量和煤层中射流钻头的进深，计算出水力冲孔扩孔半径，见表3。结合水力冲孔前煤层瓦斯含量和进行水力冲孔30 天后煤层残余瓦斯含量，计算出1#钻场各钻孔的瓦斯抽采率，见表4。

表3 水力冲孔试验效果

表4 考察孔瓦斯抽采率

从表4 可看出，经30 天的瓦斯抽采，各个试验钻孔的瓦斯抽采率均大于20%。在1#钻场区域内，瓦斯的平均抽采率达到了43.4%。而且次水力冲孔的影响半径达到9m，所以煤层水力冲孔技术不仅增大瓦斯抽采量，而且可成倍扩大钻孔的瓦斯抽采半径，对煤层瓦斯抽采有积极地影响。

3.4 掘进工作面掘进效果

采用煤与瓦斯突出煤层掘进工作面立体式高效瓦斯治理技术前，11615 掘进工作面突出综合指标时常超限，巷道掘进月进尺仅有20～70m。经立体高效式瓦斯治理技术后，11615 运顺评价区域内瓦斯压力均＜0.6MPa，瓦斯含量均＜6m3/t，钻屑量S均值为2.4＜6kg/m，钻屑瓦斯解吸指标Δh2 均值为190＜200 Pa，大幅度降低了效检超标率，巷道掘进月进尺达到200m 左右，提升了3～4 倍。物料交接和现场安全环节检查采用分工平行作业的方法进行施工，缩短大约10min 左右的交班时间。日均进尺优化提升3.2m，月均进尺优化提升96m，月掘进效率提升66.7%。