土城矿石门跨区段揭煤精准消突技术研究

张时超 李远知 程 坦

（1.盘江精煤股份有限公司土城矿，贵州 六盘水 553529；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000）

土城矿为近距离煤层群开采，各煤层均具有突出危险性，采区延深工程中石门数量多、揭煤次数多，成为防治煤与瓦斯突出事故的重点。本文以土城矿158 运输石门及158 回风石门揭煤为研究对象，深入研究石门跨区段揭煤精准消突技术[1-4]，为保证矿井安全生产、防止突出事故发生提供实践参考。

1 工程概况

土城矿含煤地层为二叠统龙潭组，属于薄及中厚煤层为主的近距离煤层群。158 运输石门及158回风石门为下区段准备巷道，掘进期间需从煤层底板 揭 露29#、27#、24#、21#、20#、18#、17#、16#、15#、12-2#、12#、6#、5#、3#煤 层，共 计14 层煤。为保证158 运输石门及158 回风石门揭煤区域瓦斯治理工作到位，安全揭露各煤层，通过上区段157回风石门施工顺层瓦斯抽采钻孔，进行跨区段消除石门揭煤突出危险性。现157 回风石门为上区段准备巷道已揭露至9#煤层，158 运输石门已揭露21#煤层，距15#煤层175 m，158 回风石门已揭露27#煤层，距15#煤层383 m。

2 石门跨区段揭煤精准消突技术

2.1 钻孔布置参数计算

合理的钻孔布置是确保瓦斯抽采到位、无抽采盲区的关键。以煤层瓦斯流动理论为基础，任意时刻每米钻孔瓦斯抽采量Q与预抽周期如下式：

式中：Q0为每米钻孔初始瓦斯抽采量，m3；t为预抽周期，h；α为钻孔瓦斯流量衰减系数。

对式（1）进行积分，可得到抽采70 d 后钻孔瓦斯累计抽采量Qt与时间的关系如下：

式中：L为钻孔见煤段长度，m；ρ为煤体密度，kg/m3；r1为钻孔半径，m；r2为有效抽采半径，m；W为煤层原始瓦斯含量，m3/ t；η为煤层瓦斯抽采率，%。

因钻孔半径远小于有效抽采半径，故可得有效钻孔半径影响范围：

由计算可知预抽70 d 时钻孔有效影响半径可达3.0 m 左右。

2.2 顺层长钻孔跨区段预抽揭煤区域瓦斯

近距离煤层群相邻区段石门揭露相同煤层时，采用已揭露完毕的石门沿煤层倾向施工顺层长钻孔预抽相邻区段石门揭煤区域瓦斯，通过施工密集的抽采钻孔使煤体形成局部卸压，在预抽煤层瓦斯作用下降低其瓦斯压力与瓦斯含量，从而实现瓦斯潜能减弱、地应力下降，并使揭煤区域煤层坚固性系数增加，达到消除突出危险性的目的[5-6]。

通过157 回风石门揭露15#煤层位置施工顺层长钻孔跨区段预抽158 运输石门、158 回风石门揭煤区域瓦斯，根据《防治煤与瓦斯突出细则》对采用井下预抽煤层瓦斯作为区域防突措施要求，抽采钻孔最小控制范围是石门揭煤处巷道轮廓线外左右及上下方至少15 m（见煤点）[7]。因两条石门距离较近且揭煤预抽瓦斯区域存在重叠部分，为减少钻孔施工工程量及后期回采巷道布置期间的瓦斯治理，综合考虑将两条石门揭煤瓦斯抽采区域合并为一个较大范围的抽采区域，在157 回风石门揭露15#煤层位置处两侧施工1#、2#钻场。以上述钻孔预抽70 d 时的有效影响半径为钻孔布置依据，呈扇形均匀布置，控制157 石门揭煤倾向区域。采用的钻孔直径为94 mm，共计15 个钻孔，钻孔设计参数见表1，钻孔设计如图1。

2.3 精准控制揭煤区域瓦斯抽采范围

保证钻孔施工质量、精准控制瓦斯抽采范围是实现跨区段石门揭煤区域消除突出危险性的关键。根据钻孔设计、施工难度及现有技术装备水平，钻孔施工采用ZDY10000SWL 型大功率、大扭矩钻机配合ZXC1000 型钻孔测斜仪，进行开孔定位，并在钻进过程中连续记录钻孔轨迹测斜数据，为钻孔成孔质量、精准控制预抽瓦斯范围合理性提供依据。通过钻孔完成图显示，瓦斯预抽范围完全覆盖158 回风石门、158 运输石门揭15#煤区域。通过ZXC1000 矿用钻孔测斜仪测量，各钻孔质量评价见表2。

图1 跨区段预抽揭煤区域瓦斯钻孔设计图

表1 钻孔设计参数表

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯抽采效果及突出危险性评价

2020 年6 月12 日在157 回风石门钻场施工8#钻孔时，对下区段揭煤区域15#煤层原始瓦斯参数进行测定，其原始瓦斯含量为8.929 8 m3/t，原始瓦斯压力为1.21 MPa。截至6 月29 日8 点班完成设计钻孔施工及封抽工作。1#、2#钻场预抽揭煤区域瓦斯情况如图2。

表2 钻孔质量评价统计表

图2 瓦斯抽放量统计图

从图2 可知，从7 月1 日至9 月26 日157 回风石门1#、2#钻场瓦斯抽采时间为88 d，抽采初期两钻场内抽采主管路瓦斯浓度均呈现迅速降低趋势，至抽采45 d 时主管浓度下降至11%左右，瓦斯抽采量仍达到1137 m³/d，保持较高的抽采水平；至抽采75 d 时，瓦斯抽采量及抽采浓度下降幅度变缓；至抽采88 d 时，主管瓦斯浓度降至4%，瓦斯预抽基本结束。累计瓦斯抽采量为176 702 m³，瓦斯预抽率达58.2%，预抽区域煤层残余瓦斯含量为3.730 2 m3/t，残余瓦斯压力为0.152 MPa，达到《瓦斯预抽消突效果评价技术规范》（NB/T51006-2012）对残余瓦斯含量8 m3/t（构造带6 m3/t）、残余瓦斯压力0.74 MPa 的抽采瓦斯效果评判指标要求。

石门揭煤期间在158 运输石门巷道正前方及其上、下、左、右各施工了1 个效果检验孔，经实测该揭煤区域残余瓦斯含量最大值为4.198 9 m3/t，下降幅度为53%，残余瓦斯压力0.214 MPa，下降幅度为82%，消突效果达标。

3.2 效果分析

石门跨区段预抽揭煤区域瓦斯实现顺层长钻孔预抽范围覆盖158 运输石门揭煤区域，使其煤层瓦斯含量及瓦斯压力由8.929 8 m3/t、1.21 MPa 降至4.198 9 m3/t、0.214 MPa，消除石门揭煤突出危险性，与157 回风石门揭15#煤层相比，瓦斯预抽率提高13.2%，瓦斯预抽时间差异系数由27.4%降至11.2%。自与煤层法向距离10 m 至揭煤结束期间，掘进工程量30.6 m，施工时间14.5 d，缩短23 d，石门揭煤期间掘进速率提升61.3%。

4 总结

（1）石门跨区段预抽揭煤区域钻孔利用率提高，同时消除多条石门揭煤突出危险性，且为后期相应联络巷道布置提供超前瓦斯治理，降低后续瓦斯治理难度。

（2）与施工穿层钻孔作为区域防突措施相比，避免了工作面前方处于应力集中和高瓦斯状态，充分利用瓦斯治理空间，减少对巷道施工进度的影响。

（3）采用高功率、大扭矩钻机配合钻孔测斜仪施工顺层长距离钻孔，是精准掌握跨区段预抽石门揭煤区域瓦斯的有效方法，保证了揭煤区域瓦斯治理效果。

（4）实施石门跨区段揭煤精准消突过程中，未详细分析瓦斯径向流动及钻孔瓦斯流量衰减影响，导致揭煤区域煤层残余瓦斯含量、瓦斯压力与计算值偏差较大，该问题将作为后续研究重点。