长钻孔跨区段预抽石门揭煤区域瓦斯治理技术

罗 飞，龙声德

(贵州松河煤业发展有限责任公司， 贵州 六盘水 553000)

在煤炭开采过程中，突出煤层石门揭煤是比较危险的环节，若采取的综合措施不到位，极有可能诱发煤与瓦斯突出。据统计，石门揭煤突出的平均强度为其他各类巷道平均煤与瓦斯突出强度的 6 倍以上，80%以上的千吨级及其以上特大型突出都发生在石门揭煤过程[1]. 因此，国内多学者对突出煤层石门揭煤防突技术进行了研究。曹佐勇、王恩元等[2]通过立体式、全覆盖钻孔布置方式,同时采用钻孔全程下套管,“两堵一注”水泥带压封孔瓦斯抽采技术,防止揭煤区域出现瓦斯抽采空白带, 保障了石门揭煤安全。徐好哲[3]对冯营矿2415车场石门揭煤区域进行抽采，煤层瓦斯含量大幅降低，保证了安全揭煤。石门揭煤前预抽煤层瓦斯可以降低煤层瓦斯压力、减小煤层瓦斯含量, 是目前最有效的消除揭煤期间煤层突出危险性的措施[4]. 针对松河煤矿石门揭煤区域瓦斯治理难题，提出采用长钻孔跨区段预抽方法，以实现采掘活动区域内瓦斯防治及抽采达标，提高石门揭煤工作安全系数。

1 概 况

贵州松河煤业发展有限责任公司松河煤矿坐落于贵州省六盘水市盘州市鸡场坪镇松河乡，井田走向长14.5 km，倾斜宽2.2 km，面积为32.6 km2，设计生产能力2.4 Mt/a，为煤与瓦斯突出矿井。2020年矿井绝对瓦斯涌出量115.73 m3/min,矿井相对瓦斯涌出量49.46 m3/t. 132区段两条石门共需要揭煤13层，其中可采煤层为5层，均具有突出危险性。

131运输石门，长950 m，标高+1 600 m，已于2012年掘进到位,形成全负压通风系统，石门掘进过程中穿过了32#-1#煤层，平均每月掘进34 m. 132区段石门，标高+1 500 m，分为132运输石门及132专用回风石门，两条石门平距相差20 m，高差5 m，需揭穿煤层的瓦斯含量为7.2～18.39 m3/t. 132运输斜巷从131运输石门尾开口，沿3#煤层顶板施工至132区段石门标高。

2 瓦斯治理技术

利用可以施工穿层钻孔达到200 m以上的大功率、大扭矩钻机，从132运输斜巷钻场内施工瓦斯抽采钻孔控制132区段石门揭煤范围内的煤层。

2.1 预抽区段煤层瓦斯技术方案

1) 在132运输斜巷合适位置按照间距40 m施工1个钻场，钻场中设计21—28个钻孔，钻孔终孔控制在石门轮廓线左右两帮20 m. 2) 利用ZDY-4600LX型全液压履带式坑道钻机施工钻孔至132区段石门需要揭开的煤层区域，钻孔d94 mm，配套钻杆长750 mm. 3) 钻孔施工完毕后，向孔内下入双层套管(双层套管外管用于瓦斯抽采，内管用于定期对钻孔内的积水进行排放，保证钻孔畅通)，双层套管外管直径50 mm，内管直径25 mm，且在穿过煤层段的套管外管为筛管，其余套管均为实管。4) 采用囊袋配合速凝剂“两堵一注+带压注浆”封孔工艺[2]，封孔长度不得小于20 m，机械封孔压力不得小于4 MPa. 5) 钻孔封孔完毕后，与抽采系统连接进行抽采，并连接压风吹水装置用于日常吹排水。封孔示意图见图1.

图1 封孔示意图

2.2 钻孔设计

由《贵州松河煤业发展有限公司煤层瓦斯抽放半径测定报告》可知，各可采煤层的抽采半径为5～7 m，按抽采半径5 m布置钻孔。1#、2#、3#、5#钻场在右侧帮上均匀布置3排钻孔，每排7个，间排距500 mm×500 mm；4#钻场在右侧帮上均匀布置4排钻孔，每排7个，间排距500 mm×500 mm，平均终孔间距5 m. 钻孔设计情况见表1.

表1 钻孔设计情况表

在132运输斜巷共设计5个钻场，钻场深4.5 m×宽5 m×高3.2 m. 共设计112个钻孔控制132区段石门1#至13#煤层揭煤区域，控制巷道上下帮各15 m，巷道两帮轮廓线外20 m范围，总工程量14 642 m. 钻孔设计见图2.

2.3 钻孔施工情况

2020年3月1日—2020年6月15日，按照设计共施工了5个钻场149个钻孔，其中补孔37个，总工程量17 960 m，总用时106 d，施工用时98 d[3]，圆班平均进尺183 m，5个钻场所有钻孔均按设计施工，钻孔进尺超额完成3.2%. 抽采钻孔施工对比见表2.

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯含量大幅度降低

由《贵州松河煤业发展有限责任公司采区防突专项设计》中各煤层不同标高含量预测结果表可知，采三区各煤层原始瓦斯含量最低7.20 m3/t，最高为18.39 m3/t,大部分煤层均具有突出危险性。当主管浓度小于10%时，实测132石门下区段范围内各主要煤层残余瓦斯含量均小于8 m3/t，抽采前后煤层瓦斯含量对比见表3. 由表3可知，长钻孔跨区段预抽石门揭煤区域瓦斯治理技术的防突效果较好，降低煤层突出危险性系数。

图2 132区段石门瓦斯治理钻孔设计图

表2 抽采钻孔施工对比表

表3 各煤层瓦斯含量抽采前后对比结果表

3.2 瓦斯利用率提高

每个钻场采用10英寸管作为支管连接至132运输斜巷内的14英寸主管，每根支管上连接1个分流器，每个分流器连接3—4根4英寸分流管和1个自动放水器。从2020年6月15日钻孔施工结束到2020年11月12日共计量抽采150天，每10天对抽采情况进行考察，同每个钻场支管及主管上计量装置计量相比，误差不超过5%. 抽采过程中单孔孔口负压13～19 kPa，单孔瓦斯浓度15%～60%,平均抽采浓度22.7%，总瓦斯抽采纯量82.58万m3，日均抽采纯量55 053.3 m3，抽采纯量达到4.83 m3/min，日均发电量12 113.64 kW·h. 瓦斯抽采总纯量与抽采时间关系见图3.

图3 瓦斯抽采总纯量与抽采时间关系图

3.3 揭煤时间缩短

突出煤层石门揭煤常规方法是采用在距离煤层法向距7 m前停止工作面掘进，施工区域防突钻孔对所揭煤层瓦斯进行预抽，经效果检验无突出危险后恢复掘进并揭煤。131运输石门掘进总时间长达28个月，其中18个月的时间为施工钻孔预抽瓦斯时间，瓦斯抽采时间占总周期的64%. 通过长钻孔跨区段施工穿层钻孔对揭煤区域煤层瓦斯进行抽采后，132石门掘进进尺140 m，揭煤6层，掘进用时2个月，平均每月进尺70 m，掘进速度和工效得到明显提高。

4 长钻孔跨区段预抽石门揭煤区域瓦斯治理优点

1) 区段预抽的长钻孔可以在石门揭煤期间实现连续抽采，减少揭煤期间因应力变化等造成瓦斯向工作面涌出。

2) 有充足时间和空间来布置抽采钻孔，有较长的时间对揭煤区域的瓦斯进行预抽，实现了对石门揭煤区域瓦斯超前治理。

3) 远距离长钻孔同时对多层煤层瓦斯进行预抽，提高钻孔利用率及瓦斯抽采浓度，高浓度瓦斯可以用于瓦斯发电等，为矿井创造直接经济利益。

4) 长钻孔进入石门掘进前方的煤岩体内，促进了钻孔周围煤层的局部卸压，钻孔强化瓦斯抽采降低了煤体瓦斯内能和弹性潜能，减小煤体地应力，增强煤体强度，以有效消除煤层突出危险性。

5 结 语

通过实施跨区段长钻孔对邻近区段石门揭煤区域煤层瓦斯预抽后，煤层瓦斯含量大幅度下降，减少了在距离煤层7 m法向距前向煤层实施区域防突措施所需的钻孔工程，缩短了煤层预抽瓦斯达标时间，为矿井准备巷道的形成及生产系统的布置赢得时间，对提高石门揭煤速度，降低石门揭煤危险性有着重大意义。