李 義 何少立 尹建國(guó)

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)通風(fēng)處，山西介休032000；2.平安煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司,安徽淮南232096)

1 研究背景

雙柳煤礦井田內(nèi)含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，山西組的4（3+4）號(hào)煤層和太原組的8、9（8+9）號(hào)煤層為礦井主采煤層。礦井目前開(kāi)采的煤層為4（3+4）煤層，屬突出危險(xiǎn)煤層。礦井突出區(qū)域劃分3+4煤層在標(biāo)高+430 m以淺為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，+430 m 及以深為突出危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，雙柳煤礦3+4煤層各單項(xiàng)指標(biāo)中，煤樣的破壞類型為Ⅱ類，在構(gòu)造帶破壞類型為Ⅲ-Ⅳ類，部分區(qū)域存在軟分層，目前測(cè)定的標(biāo)高+430m以深區(qū)域煤層的瓦斯壓力最大值為2.4MPa。3+4 煤層測(cè)點(diǎn)位置煤體的破壞類型，正常區(qū)域內(nèi)為Ⅱ-Ⅲ類，地質(zhì)構(gòu)造破壞帶內(nèi)破壞類型為Ⅳ-Ⅴ類，達(dá)到臨界值；煤體堅(jiān)固性系數(shù)最小值為0.36，小于臨界值0.5；煤體瓦斯放散初速度最大值為12.9 mmHg，大于臨界值10 mmHg；3+4煤層的吸附常數(shù)a值范圍為28.7866 m3/t～30.4762 m3/t，平均值為29.7281 m3/t，b 值范圍為0.7325 MPa-1～0.9526 MPa-1，平均值為0.8429 MPa-1。雙柳礦區(qū)煤層總體呈單一寬緩構(gòu)造，煤層傾角4～8°，開(kāi)采標(biāo)高+170 m～+570 m，煤層屬可抽采煤層。

南、北翼瓦斯治理巷地表標(biāo)高+715～+780 m，工作面標(biāo)高+251 m～+301 m,地形復(fù)雜，為典型的黃土高原地貌，地形形態(tài)主要為侵蝕形，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的切割梁、峁?fàn)铧S土丘陵，沖溝密集而狹窄，谷底基巖出露，區(qū)內(nèi)植被稀少，水土流失嚴(yán)重。巷寬為5.0 m，巷高為3.8 m～4.2 m，平均4 m，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 363 m，斷面形狀為矩形，沿煤層向前掘進(jìn),煤層傾角3°～6°，平均4°煤層厚度3.2 m～4.0 m，平均厚度為3.75 m，巷道掘進(jìn)方式為綜掘機(jī)掘進(jìn)，直接頂為3.15 m的粉砂巖，巖性特征為淺灰色，中厚層狀，粉砂狀結(jié)構(gòu)，以石英為主、次為長(zhǎng)石，局部具平行層理，平坦?fàn)顢嗫?，明顯接觸關(guān)系。巖芯較完整，局部具斜交裂隙，無(wú)充填，巖石較堅(jiān)硬，性脆，老頂為2.50 m 的中粒砂巖，巖性特征為灰白色，中厚層狀，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，以石英長(zhǎng)石為主，硅質(zhì)膠結(jié)，局部具交錯(cuò)層理，參差狀斷口，明顯接觸關(guān)系。巖石完整，裂隙不發(fā)育，巖石致密堅(jiān)硬。

圖1 巷道布置示意圖

區(qū)域瓦斯治理底抽巷布置在3+4 號(hào)煤層底板10 m～15 m巖石中，所掘?qū)游粸?#、4#煤及其底板巖層，依次為4 m 的3#、4#煤、4.64 m 的砂質(zhì)泥巖、13.87 m 的細(xì)砂巖,巖層賦存穩(wěn)定，無(wú)構(gòu)造區(qū)域能夠保證底抽巷的施工安全，區(qū)域瓦斯治理底抽巷（巖巷段）掘進(jìn)方式采用炮掘。但在地質(zhì)構(gòu)造帶，若遇到3 m～5 m 的小斷層，層間距縮小、瓦斯異常涌出，可能會(huì)給區(qū)域瓦斯治理底抽巷的施工帶來(lái)安全隱患，因此在區(qū)域瓦斯治理底抽巷巷掘進(jìn)過(guò)程中必須堅(jiān)持“邊探邊掘”，嚴(yán)格控制煤層層位，探明地質(zhì)構(gòu)造情況，確保足夠?qū)娱g距。

因該區(qū)域處于強(qiáng)突出危險(xiǎn)區(qū)，直接在南北翼瓦斯治理巷本巷道施工消突鉆孔不符合相關(guān)規(guī)定，采取南北翼瓦斯治理巷相互掩護(hù)掘進(jìn)因預(yù)抽時(shí)間需要工期較長(zhǎng)。同時(shí)在區(qū)域瓦斯治理底抽巷內(nèi)施工普通穿層鉆孔工程量大、施工周期長(zhǎng)，礦井投入成本大，若配套采用水力預(yù)裂、水力割縫等增透措施，一方面能減少鉆孔量，一方面能提高抽采效果，考慮到礦井銜接需要，難以保證南翼、北翼瓦斯治理巷盡快形成系統(tǒng)，為其它瓦斯治理工程在時(shí)間、空間上創(chuàng)造便利。礦區(qū)煤層賦存總體較穩(wěn)定，斷層發(fā)育較少，對(duì)煤層破壞較小，破壞類型以Ⅱ類為主，頂?shù)装鍘r性較穩(wěn)定，礦壓較小，對(duì)煤體的擠壓程度較低，利于煤層鉆孔施工。結(jié)合前期在煤層賦存總體較穩(wěn)定區(qū)施工的本煤層長(zhǎng)鉆孔情況及消突效果，擬開(kāi)展底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽掩護(hù)煤巷條帶掘進(jìn)技術(shù)研究。

2 穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)參數(shù)研究

（1）鉆孔設(shè)計(jì)

穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔指的是：鉆機(jī)先從巖巷開(kāi)鉆，穿過(guò)10 m～15 m 的煤層底板巖石后進(jìn)入煤層，并沿著煤層繼續(xù)鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。鉆機(jī)采用VLD1000定向奧鉆，鉆孔孔徑為? 96 mm。

根據(jù)雙柳煤礦3+4煤層鉆孔有效抽放半徑參數(shù)研究報(bào)告可知：抽采6 個(gè)月時(shí)，有效抽采半徑為4.16 m，故確定鉆孔終孔間距為8 m，首先在區(qū)域消突底抽巷巷道左右兩側(cè)每隔400 m 施工一個(gè)千米鉆場(chǎng)，鉆孔穿過(guò)巖層進(jìn)入煤層中沿煤層施工，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工鉆孔個(gè)數(shù)為8～10個(gè)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為450 m，鉆場(chǎng)與鉆場(chǎng)之間鉆孔壓茬為100 m，避免了出現(xiàn)空白帶，保證了覆蓋巷道及兩側(cè)輪廓線外至少20 m 的范圍，鉆孔布置如圖2所示。

圖2 區(qū)域瓦斯治理底抽巷（巖巷）預(yù)抽南、北翼瓦斯治理巷（煤巷）鉆孔布置圖

（2）鉆孔封孔工藝

為確保封孔效果，實(shí)現(xiàn)鉆孔抽采最大化，在千米鉆場(chǎng)內(nèi)先按設(shè)計(jì)將所有鉆孔按孔徑? 96 mm施工至距離巷道頂板法距2 m～5 m 處停鉆（距離底板巷巷幫最近的鉆孔施工至巷道頂板法距5 m 停鉆，其他孔施工至法距2 m 停鉆），采取? 159 鉆頭擴(kuò)孔10 m 退鉆，后下10 m 護(hù)孔管、鉆孔采用“兩堵一注”封孔法進(jìn)行封孔，注漿壓力不小于4 MPa，直至全部注漿結(jié)束，在開(kāi)鉆前方形成致密帷幕，然后各孔按設(shè)計(jì)施工到位。

3 穿順層鉆孔抽采效果考察

通過(guò)抽采達(dá)標(biāo)劃定的評(píng)判區(qū)域，瓦斯治理巷底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽掩護(hù)區(qū)域經(jīng)計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)符合抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判要求，具體情況如下：

（1）北翼預(yù)抽時(shí)間13個(gè)月（南翼10個(gè)月）；

（2）最大殘余瓦斯含量為4.71 m3/t（南翼4.6 m3/t），可解析瓦斯瓦斯量為3.3 m3/t符合要求；

（3）通過(guò)計(jì)算殘余瓦斯壓力最大為0.39 MPa，小于0.74 MPa符合要求。

為了驗(yàn)證消突效果，對(duì)底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽消突掩護(hù)南北翼瓦斯治理巷煤巷條帶掘進(jìn)期間進(jìn)行了跟蹤考察，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并繪制了對(duì)應(yīng)的曲線圖如下：

圖3 各取樣位置不同深度殘余瓦斯含量變化情況

圖4 工作面、回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量變化曲線圖

圖5 各取樣位置殘余瓦斯含量變化情況

圖6 工作面、回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛扰c產(chǎn)量變化曲線圖

為進(jìn)一步對(duì)比預(yù)抽效果，對(duì)南北翼瓦斯治理巷800 m～1 363 m 使用了區(qū)域瓦斯治理底抽巷穿層短鉆孔預(yù)抽消突掩護(hù)煤巷條帶掘進(jìn)方式，并對(duì)掘進(jìn)期間進(jìn)行了跟蹤考察，如圖7所示。

圖7 區(qū)域瓦斯治理底抽巷（巖巷）預(yù)抽南、北翼瓦斯治理巷（煤巷）鉆孔穿層鉆孔布置圖

（1）北翼預(yù)抽時(shí)間13個(gè)月（南翼10個(gè)月）；

（2）最大殘余瓦斯含量為4.52 m3/t（南翼4.34 m3/t），可解析瓦斯瓦斯量為3.13 m3/t符合要求；

（3）通過(guò)計(jì)算最大殘余瓦斯壓力為0.34 MPa，小于0.74 MPa符合要求。

4 經(jīng)濟(jì)安全效益對(duì)比

表1 定向穿順層鉆孔與穿層、順層鉆孔經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比分析：利用定向穿順層鉆孔對(duì)相同長(zhǎng)度的巷道進(jìn)行鉆孔抽采，其施工工程量雖有所增加，但帶來(lái)的安全效益顯著，且大幅度縮短瓦斯治理工期。

5 結(jié)論

（1）采取從底板巷道施工穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔替代底板巷普通穿層鉆孔預(yù)抽掩護(hù)煤巷條帶消突技術(shù)，不但達(dá)到了預(yù)抽消突的目的，且提高了鉆孔利用率，又降低了礦井瓦斯治理成本。采取底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔為主的區(qū)域抽采消突方法，防突措施針對(duì)性更強(qiáng)，更經(jīng)濟(jì)合理，形成了可靠的消突模式。

（2）根據(jù)項(xiàng)目研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用得出底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔基本適用條件：礦區(qū)煤層賦存總體較穩(wěn)定，斷層發(fā)育較少，對(duì)煤層破壞較小，破壞類型以Ⅱ類為主；頂?shù)装鍘r性較穩(wěn)定，礦壓較小，對(duì)煤體的擠壓程度較低，利于煤層鉆孔施工；在礦區(qū)采掘活動(dòng)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析得出的煤的堅(jiān)固性系數(shù)在煤層賦存穩(wěn)定區(qū)均在0.3以上?；陬愃茥l件下的礦井目前研發(fā)應(yīng)用的定向鉆孔消突技術(shù)具有明顯的引領(lǐng)作用，提供了可靠的技術(shù)支撐，在類似條件下具有可靠的推廣價(jià)值。

（3）對(duì)于底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔鉆孔未達(dá)到設(shè)計(jì)深度或鉆孔軌跡間距離超過(guò)設(shè)計(jì)2 m 的，盡管需要采取在底板巷局部施工補(bǔ)充鉆孔填補(bǔ)消突空白區(qū)，但該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)依然明顯。

（4）通過(guò)試驗(yàn)：底板穿巖順煤層定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽掩護(hù)煤巷條帶消突采取從底板巖巷每30 m 布置效果檢驗(yàn)鉆孔驗(yàn)證消突效果的方法是可行的、可靠的，并實(shí)現(xiàn)了煤巷掘進(jìn)工作面連續(xù)掘進(jìn)。