三軟低透氣性大采長工作面抽采空白帶分析與治理

龐 源 林柏泉 曹召丹 高亞斌 郝志勇

（1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

近年來，隨著礦井開采規模和采掘深度的擴大，地應力和瓦斯壓力加大，一些原來的低瓦斯礦井逐步衍變為高瓦斯礦井，礦井瓦斯災害日益嚴重，尤其是煤與瓦斯突出問題越來越成為礦山企業安全生產和提高效益的主要障礙之一。理論和實踐表明，瓦斯抽采是防范煤礦安全事故的治本之策之一。利用井下鉆孔抽采煤層瓦斯是當前國內煤礦最常用、最直接、最有效的安全保障方法之一。但在瓦斯抽采鉆孔施工過程中，由于諸多因素影響，鉆孔實際軌跡往往偏離預先設計的理想軌跡，導致鉆孔偏離設計靶點，產生瓦斯治理盲區，給安全生產造成極大隱患。尤其是在三軟低透氣性突出煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時，由于煤層強度低、瓦斯含量高，容易產生卡鉆、塌孔和噴空等現象，導致本煤層鉆孔深度淺，此外底板穿層孔遇煤率低，鉆孔軌跡無法控制，可能產生瓦斯抽采空白帶。

新豐煤礦25021工作面為三軟低透氣性、大采長、煤與瓦斯突出危險工作面，為了消除其突出危險性，開采11051工作面作為下保護層，布置兩條底板巖巷穿層鉆孔，結合上、下副巷順層鉆孔的立體化綜合抽采系統，由于25021工作面為大采長工作面，底板抽采巷穿層鉆孔控制面小，只解決了煤巷掘進條帶防突，回采工作面瓦斯涌出并未完全得到解決，工作面中部可能存在瓦斯抽采空白帶。本文對25021工作面中部是否存在瓦斯抽采空白帶進行了論證分析，并采取措施治理瓦斯抽采空白帶，消除了工作面煤與瓦斯突出危險性。

1 礦井及工作面概況

河南省登封市新豐煤礦是典型的三軟低透氣性煤與瓦斯突出礦井，主采二1煤層兼采一5煤層，其主采煤層二1煤層是突出煤層，二1煤層賦存于山西組下部大占砂巖下，上距砂鍋窯砂巖67.16m、香碳砂巖29.16m，下距L7灰巖12m，埋深0～1300 m，底板標高+480～-600m，結構簡單，屬于穩定煤層。一5煤層厚0～1.16 m，平均0.86m，煤層結構比較簡單，距二1煤層局部平均40m。25021工作面為二1煤層主采工作面，工作面走向長310 m，傾斜長200m，煤層厚4.2m，煤層傾角28°。11051工作面屬于一5煤層，作為25021 工作面下保護層開采，在保護層回采期間擬通過±0 m 大巷作為上副巷的底抽巷，-70 m 大巷作為下副巷的底抽巷。25021 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 25021工作面巷道布置圖

2 抽采空白帶產生原因

瓦斯抽采鉆孔在三軟低透氣性突出煤層施工過程中，由于各種因素的影響，鉆孔往往發生彎曲，導致鉆孔不能施工到設計位置，在瓦斯抽采過程中形成抽采盲區，造成瓦斯抽采空白帶。鉆孔彎曲是打鉆施工過程中普遍的、大量存在的現象，也是形成瓦斯抽采空白帶最主要的原因。影響鉆孔彎曲的主要因素有地質因素、技術工藝因素以及其他因素。

2.1 地質因素

在鉆進過程中，地質因素是影響鉆頭軌跡的重要因素。影響鉆孔彎曲的地質因素主要是鉆進巖層的硬度、研磨性、密度、礦物成分、變質程度及結構構造等。地質因素的影響主要表現為造成巖石的非均質性，巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層等結構構造使巖層具有不均質性，具有層理和片層的巖層，其物理力學性質在各個方向上不同，此種特性稱為巖石的各向異性，在這種巖層中鉆進時，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。除了層理、片理和軟硬互層等地層條件對鉆孔彎曲有較大影響外，在松軟地層鉆進時，由于鉆具與孔壁之間有較大間隙，鉆具在重力作用下，鉆孔有下垂趨勢。地質因素對鉆孔軌跡的影響表現為孔底鉆具受到一個來自地層的自然造斜力即地層力的作用，地層力的2 個分力——地層變孔斜力和地層變方位力，使鉆孔產生傾角和方位角的變化。

2.2 技術工藝因素

鉆具的結構特性在鉆孔彎曲中起著重要作用，鉆具的結構將影響其均衡受力，如果鉆具受力不均衡，將使鉆具偏離理想的鉆進方向。在鉆具鉆進過程中，可能產生跑偏現象或鉆桿彎曲，這時鉆具鉆速和推進力將影響鉆具撓曲變形的程度。鉆速的大小決定了鉆具回轉所產生的離心力的大小，離心力增大，將增大鉆桿撓曲變形程度，推進力加大，鉆具彎曲的趨勢也將增大，當其超過臨界軸向壓力時，還會造成鉆具失穩現象。

2.3 其他因素

其他造成鉆孔彎曲的原因主要指鉆孔在開孔時的初始偏斜因素，包括設計開孔角度及開孔鉆進時的操作因素，如鉆機安設不正確、固定不牢，鉆具與鉆孔中心未對正、使用了不合標準或超過公差極限的巖心管、鉆桿和其他碎巖工具，絲扣連接不同心等。

3 抽采空白帶論證

3.1 -70 m 穿層孔未見煤點分析

25021工作面為三軟低透氣性突出工作面，工作面較長，本煤層上、下副巷在打鉆孔鉆進過程中產生卡鉆、塌孔和噴孔等現象，存在對接困難。因此設計要求±0m 和-70m 底抽巷穿層鉆孔能夠覆蓋25021工作面的全部區域，對工作面瓦斯進行抽采。-70m 抽采鉆場剖面圖如圖2所示，-70 m 底抽巷布置位置距25021工作面底板19m。

25021工作面煤層柱狀圖如圖3所示。從圖3中可知-70m 底抽巷位于L7石灰巖層下方，在穿層，鉆孔施工耗時較長，對鉆頭、鉆機的損壞較為嚴重，使得鉆孔施工較為困難，L7石灰巖層頂部為堅硬的菱鐵質泥巖，中間夾薄層泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖等，存在軟硬互層，當鉆頭由硬巖層進入軟巖層時，鉆頭在孔底受力不平衡，鉆頭靠層面上軟巖一側鉆速快，靠硬巖一側鉆速慢，加之產生的傾倒力矩，使鉆孔順巖層層面方向彎曲，有打不到煤層的可能性。

圖2 -70m 抽采鉆場剖面圖

圖3 25021工作面煤層柱狀圖

統計分析-70m 底抽巷抽采鉆場施工記錄表顯示，在-70m 底抽巷的19＃～25＃抽采鉆場均存在未見煤孔，未見煤孔集中在各抽采鉆場的7＃～11＃抽采鉆孔。-70m 底抽巷未見煤孔見表1。施工鉆孔方位角均為184°，平均傾角為42.8°，鉆孔平均長度為116m，相對于煤層傾角28°，上述鉆孔施工角度小，施工鉆孔長度過長，施工鉆孔偏離設計軌跡，未能打到25021工作面煤層，不能按照-70m 底抽巷設計實現25021工作面穿層孔的全覆蓋，因此，初步論證分析在25021中部存在瓦斯抽采空白帶。

3.2 ±0m底抽巷穿層鉆孔分析

為繼續論證并盡可能消除工作面中部的瓦斯抽采空白帶，在±0m 底抽巷每一鉆場施工-4°和-8°兩個角度的下向鉆孔輔2孔和輔3孔，對新增鉆孔進行聯網抽采，觀測記錄各抽采鉆孔的負壓、抽采濃度、抽采流量等數據，選取有代表性的新4鉆場輔2孔、輔3孔進行數據統計分析，輔2孔、輔3孔抽采記錄分別如表2 和表3 所示。根據表2、表3的數據繪制抽采濃度隨抽采時間變化的曲線見圖4。

由表2、表3及圖4可知，新4鉆場下向鉆孔輔2孔和輔3 孔的抽采濃度隨著抽采時間逐漸降低，初期濃度維持在20%以上，與原有抽采鉆孔相比抽采濃度有了明顯提高。由于輔3孔傾角為-8°，輔2孔傾角為-4°，輔3孔距離25021工作面中部更近，抽采濃度一直在輔2 孔的抽采濃度之上，說明越靠近25021工作面中部，鉆孔的抽采濃度越高，進一步說明了25021工作面中部確實存在瓦斯抽采空白帶。

表1 -70m 底抽巷未見煤孔

表2 新4鉆場輔2孔負壓、抽采濃度及流量觀測記錄

圖4 新4鉆場輔2、輔3孔抽采濃度隨抽采時間變化曲線圖

表3 新4鉆場輔3孔負壓、抽采濃度及流量觀測記錄

3.3 突出預測指標考察分析

對25021工作面切眼的突出預測指標進行考察，在25021切眼距上副巷37 m、62 m、87 m、116m、146m、167m、188m 布置考察孔進行突出預測指標測試，測量鉆屑瓦斯解析指標△h2max，最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q，鉆孔直徑42mm，在各考察孔從開始鉆進到鉆至煤層中8～10m 孔深段，鉆孔每鉆進1m 測定該1m 段的全部鉆屑量S；每鉆進2m 測定一次鉆屑瓦斯解吸指標△h2；在暫停鉆進后2min內測定鉆孔瓦斯涌出初速度q，測定鉆孔瓦斯涌出初速度時，使用封孔器封孔長度為1m。各考察孔突出預測指標的最大值如表4所示。據表4數據繪制突出預測指標最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線，見圖5。圖中橫坐標為考察孔距上副巷距離，縱坐標分別為鉆屑瓦斯解析指標△h2max、最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q。

表4 25021切眼各考察孔突出預測指標最大值

測試結果分析：

（1）25021切眼處測定最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q均在安全臨界值以下，但是有5個位于工作面中部及工作面上部附近考察孔的鉆屑瓦斯解吸指標△h 處在臨界值200Pa以上，表明25021工作面煤體的瓦斯解吸能力較強，25021工作面中部和上部煤體仍然具有突出危險性。

（2）分析突出預測指標最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線，由工作面兩邊向工作面中部突出危險性預測指標呈逐漸增高趨勢，鉆屑瓦斯解吸指標增大到400Pa、最大鉆屑量增大為3.8kg／m、鉆孔瓦斯涌出初速度增大到0.5L／min。突出危險性預測指標在工作面中部增高，說明突出危險性在工作面中部增強，工作面中部存在瓦斯抽采空白帶。

圖5 突出預測指標最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線

3.4 劃定抽采空白帶范圍

結合-70 m 和±0 m 底抽巷穿層鉆孔的成孔記錄數據，根據瓦斯抽采鉆孔的終孔位置，劃定25021工作面穿層鉆孔的控制區域，如圖6 所示。-70m 和±0 m 底抽巷穿層鉆孔不能完全覆蓋25021工作面全部區域，且由于25021 工作面過長，工作面上、下副巷順層孔不能對接，在工作面中部也存在控制盲區，根據全部瓦斯抽采鉆孔的控制區域，確定工作面中部抽采空白帶的范圍，即圖6中陰影部分所示。

圖6 25021工作面抽采空白帶范圍

4 抽采空白帶治理

為了治理工作面中部的瓦斯抽采空白帶，徹底消除工作面的突出危險性，在距上副巷70 m、距下副巷50m之間的80m切巷內向工作面前方施工上、下兩排順層抽采鉆孔，抽采工作面前方100m內中部聚集的瓦斯。鉆孔長度為100 m，鉆孔間距為3m，上、下兩排鉆孔交錯布置，下排鉆孔垂直煤壁布置，傾角0°，方位角94°，上排鉆孔與煤壁成10°夾角斜交布置，傾角3°，方位角104°，鉆孔布置如圖7所示。

圖7 鉆孔布置平面圖

鉆孔自10月3日開始聯網抽采，選取具有代表性的25021切巷下段上排1＃孔，統計該孔近2個月時間內瓦斯抽采濃度的變化情況，繪制該孔抽采濃度隨時間變化曲線圖，見圖8。由圖8 可知，從開始抽采到約20d時，1＃孔抽采濃度始終維持在40%左右，最大抽采濃度接近60%，表明在25021工作面中部存在高濃度瓦斯聚集區，隨著抽采時間的推移，瓦斯抽采濃度呈逐漸下降趨勢，最終抽采濃度穩定在5%左右，說明工作面中部聚集的瓦斯被大量抽采，瓦斯含量明顯降低，工作面前方100m 的瓦斯抽采空白帶得到了有效治理，消除了突出危險性。

圖8 抽采濃度隨時間變化曲線圖

5 結論

（1）造成瓦斯抽采空白帶的主要原因是鉆孔在鉆進過程中出現鉆孔彎曲現象，造成鉆孔彎曲的主要因素有地質因素、技術工藝因素以及其他因素。

（2）在三軟低透氣性煤層中施工順層抽采鉆孔時存在困難，導致本煤層 孔深度淺，因此設計工作面時要合理選擇工作面傾斜長，避免出現上、下副巷順層孔不能對接的情況。

（3）為新豐煤礦的瓦斯治理工作積累了豐富的經驗，抽采空白帶論證分析表明，25021工作面底抽巷層位布置不合理，位于堅硬的L7石灰巖層下方，為鉆孔施工帶來困難，影響瓦斯抽采效果。25021工作面底抽巷最佳層位應該控制在距二1煤層底板10～12m，位于L7石灰巖層上方。

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