低透氣性單一煤層鉆孔施工綜合技術探討

黃維新，肖 平，姚鴻飛

（婁底市煤炭局，湖南 婁底417000）

1 概述

隨著礦井開采向深部延伸，煤層瓦斯含量和瓦斯涌出都會增大，瓦斯事故時有發生，尤其是煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災害治理難度急劇增大，嚴重威脅著煤礦安全生產。統計表明，在石門揭煤和煤巷掘進工作面施工過程中，瓦斯突出次數約占總突出次數的94%〔1〕。近些年來，雖然各級各部門在瓦斯綜合治理方面取得了一定效果，但對于單一低透氣突出煤層，由于地質條件比較復雜，煤層賦存極不穩定，圍巖透氣性差，鉆孔施工困難，瓦斯釋放和抽放效果極不理想。因此，通過對低透氣性單一煤層瓦斯鉆孔施工及抽采綜合技術的探討，具有重要的安全價值和經濟價值〔2－4〕。

2 地質構造

渣渡礦區金盤侖井田塞海煤礦含煤地層為下石炭統測水組，該組只有5煤層可采。5煤層平均厚度10～25 m，局部達30m，煤層基本頂為石英砂巖、粉砂巖，厚層狀，直接頂為深灰～灰黑色薄層狀砂質泥巖、炭質泥巖，厚約7 m。井田內地層呈一單斜構造，走向北東，傾向北西，煤層傾角15°～30°。礦井斷層較發育，以走向斷層為主，金盤侖斷層和大成坪斷層貫穿井田，其斷裂性質為壓性或壓扭性，對瓦斯的釋放不利。5煤層屬構造破壞類型高、強度低、封閉性好、透氣性差、瓦斯含量高的煤層，在生產過程中煤與瓦斯突出頻繁，5煤層松軟破碎成孔難，瓦斯含量區域分布極不均衡，為典型的低透氣性突出煤層，其高瓦斯含量嚴重制約著礦井的安全生產。

3 低透氣性煤層鉆孔施工綜合技術研究

根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，煤與瓦斯突出礦井必須嚴格落實兩個“四位一體”綜合防突措施，石門揭煤和工作面本煤層瓦斯抽放必須嚴格落實區域防突措施，必須抽采達標，尤其是對煤層掘進和石門掘進施工中，其防突措施合理與否，直接影響石門揭煤和煤巷掘進工作面的安全施工〔5－6〕。渣渡礦區開采煤層大都為單一低透氣突出煤層，無法進行有效的保護層開采。從渣渡礦區歷年來發生的煤與瓦斯突出事故來看，均發生在煤巷掘進和石門揭煤過程中。2012年聯誼煤礦、湘中煤礦發生的兩起瓦斯突出事故，均發生于工作面機巷掘進中。因此，研究單一低透氣性突出煤層的煤巷掘進和石門揭煤的瓦斯突出防治，一直以來系渣渡礦區所轄煤礦安全生產中的一大技術難題。

渣渡礦區煤質松軟，透氣性差，5煤層內瓦斯含量為15.027m3／t，瓦斯壓力為1.461MPa，大量的瓦斯包裹于煤層內部。在開采過程中，采動的煤塊會釋放大量的瓦斯到巷道和采空區中去，部分在采空區內部形成瓦斯積聚，極易發生瓦斯爆炸事故，同時會造成煤巷掘進工作面的掘進進度緩慢和“三量”嚴重不平衡，產量達不到生產能力要求，加上原來的抽放鉆孔施工與設計不合理，并且沒有對采空區進行抽放，造成瓦斯釋放難，抽放至少要半年以上才能達到效果。因此解決低透氣性煤層的安全開采問題，及鉆孔施工設計與施工技術顯得尤為重要。

3.1 石門掘進鉆孔施工技術

在煤層底板中布置巖巷，進行穿層鉆孔預抽，其巖巷距煤層底板法線距離約15m。在煤層底板巖巷每隔30～40m布置1個鉆場，在鉆場內施工穿層鉆孔，其施工位置巷道高度不小于3.5m。鉆孔覆蓋煤巷掘進工作面上下兩側8～15m，孔深20～50m，每個鉆場根據實際情況布置6排7列。為了使抽放鉆孔上覆蓋整個石門上方1251機巷輪廓線外左右各15m范圍的所有煤體，共布置鉆孔120～160個，控制范圍走向37.5m，傾向30m，覆蓋1251工作面機巷范圍內所有的煤體。當巖孔打到煤層頂板0.5m后，開始下套管，套管長度為6m，然后用聚氨酯固結套管。待聚氨酯凝固24h后，再次對煤孔打鉆，待鉆孔穿透煤層后，利用高壓水對鉆孔進行水力沖孔，擴大煤孔的空間，要求每個孔沖出煤量不少于4t，從而增加瓦斯釋放和解析速度，解決透氣性差、抽放難的問題，每個孔沖完后連接抽放管路進行抽放。水力沖孔后，工作面形成較大的瓦斯釋放空間和通道，瓦斯抽放量迅速上升，大大地提高了瓦斯抽放效果，使工作面機巷、風巷的瓦斯在掘進前得到了預抽，有效地解決了煤巷掘進過程中瓦斯制約生產的問題。圖1、圖2、圖3為底板抽放鉆孔布置圖，鉆孔參數見表1。

圖1 石門掘進鉆孔剖面

圖2 石門掘進鉆孔平面

圖3 石門掘進鉆孔布孔

表1 石門掘進消突鉆孔施工參數

3.2 工作面本煤層抽放鉆孔施工技術

1251機巷在經過底板抽放防突措施消突后，可繼續向前掘進，本煤層的順層抽放鉆孔也隨著機巷的不斷進尺而不斷施工，根據煤礦現有煤層瓦斯抽放半徑2m計算，確定本煤層抽放鉆孔的孔間距為4m；由于1251工作面的煤層較厚，為了使抽放鉆孔最大程度地覆蓋整個工作面的所有煤體，每列鉆孔數設計為4個，抽放鉆孔平面圖及剖面圖分別見圖4、圖5。由于1251機巷及回風巷輪廓彎曲，從方便施工、鉆孔布置均勻及提高抽放效率等方面考慮，本煤層抽放鉆孔的方位角保持一致，1251機巷施工的抽放鉆孔方位角統一為90°，1251回風巷施工的抽放鉆孔方位角統一為270°；鉆孔長度不小于50m（局部鉆孔可根據實際情況增減長度）；鉆孔施工平面見圖6，每列鉆孔從下往上按9°～11°依次遞增。

圖4 1251工作面本煤層抽放鉆孔平面

圖5 抽放鉆孔剖面

圖6 1251工作面本煤層抽放鉆孔施工平面

3.3 鉆孔施工和采空區瓦斯抽放技術

在施工過程中，要嚴格保證每列鉆孔的間距不大于4 m，封孔長度不小于10m；封孔材料使用聚氨酯，封孔方式在沿用以往單個塑料袋裝入混合后的聚氨酯封孔方法的前提下，增加封孔的長度，采用3個塑料袋分三段封孔，且加大聚氨酯的數量，保證封孔長度不小于10m；抽放管應插入鉆孔終端，防止塌孔；封孔后立刻接入抽放管路，防止臨近鉆孔漏風；打鉆過程中，工人應配備便攜式瓦檢儀并懸掛在施工鉆孔上方，嚴防瓦斯超限；鉆孔的施工應循序漸進，緊跟機巷進尺，并至少保持5m距離。

抽放采用兩套系統，高負壓選用大功率185kW抽放系統抽放，主要用于煤層頂底板巖巷穿層鉆孔及工作面本煤層鉆孔預抽瓦斯；低負壓選用75kW抽放系統抽放，主要用于抽采采空區內瓦斯。由于該井田內煤層厚，頂板夾有大量炭質泥巖，垮落后瓦斯流動通道會在其采空區上部形成，通常在其上部20～30m采空區為工作面瓦斯的主要涌出點。這里對采空區實施插管抽放和埋管抽放，首先對工作面回采期間的老塘側實施插管抽放，插管范圍從工作面采空區側的上隅角（利用工作面上邦煤作隔離帶）往下插入20m，把管插到煤層上部的冒落區域，每隔1m插1根長度1.5m、直徑50mm PVC管，采用聚氨脂封孔，然后用鋼絲軟管接上抽放管路；在上隅角撤離之后實施埋管抽放，每隔5m預埋多通管道，回撤后被埋入上隅角內部，然后將多通管道連接到工作面抽放管上，抽出采空區內瓦斯，從而避免了上隅角瓦斯積聚，并且減少了采空區瓦斯向工作面涌出。

4 效果檢驗分析

該礦購買了1臺DGC瓦斯含量直接測定裝置〔8〕（見圖7）。該裝置是目前我國精度最高、速度最快的煤層瓦斯含量（W）及可解吸瓦斯含量（Wm）測定設備，具有測定工程量小、操作簡單、維護量小、使用安全等特點。抽放2個月后，對1251工作面進行煤樣可解析瓦斯含量測定，其檢測指標（見圖8）中的瓦斯壓力和瓦斯含量都低于突出預測指標，煤層內瓦斯含量降為2.7063m3／t，瓦斯壓力降為0.069MPa。從部分抽放鉆孔單孔瓦斯抽放參數表（表2）可以看出，瓦斯抽放濃度高，抽放效果很好，同時煤層物理力學性質發生了較大變化。由此可見底板抽放鉆場與本煤層抽放鉆場設計技術可行，符合要求，抽放時間由原來的半年時間縮短到2個月，達到預期消突目的，確保了煤礦“三量”平衡。

圖7 DGC井下煤層瓦斯含量直接測定裝置

表2 部分抽放鉆孔單孔瓦斯抽放參數

圖8 1251工作面瓦斯含量測定結果

5 結語

通過對單一低透氣性煤層底板抽放鉆孔施工設計與本煤層抽放鉆孔施工設計的研究，同時結合鉆孔施工的相關技術要求，探索出了適合于渣渡礦區金盤侖井田低透氣性煤層的治理技術，可以解決渣渡礦區煤層低透氣性、抽放難以達標的問題，加快了煤巷掘進施工進度，提高了礦井的安全程度，確保了礦井安全生產。

〔1〕付建華，程遠平 .中國煤礦煤與瓦斯突出現狀及防治對策〔J〕.采礦與安全工程學報，2007，24（3）：253－259.

〔2〕黃建平，許彥鵬，馮利民，等 .礦井瓦斯賦存規律研究〔J〕.煤炭工程，2009，（09）.

〔3〕張浩然 .煤礦瓦斯抽采技術研究及應用〔D〕.太原：太原理工大學，2011.

〔4〕馮增朝 .低滲透煤層瓦斯抽放理論與應用研究〔D〕.太原：太原理工大學，2005.

〔5〕程東全，高國成.“三軟”低透氣突出煤層瓦斯綜合治理研究〔J〕.河南理工大學學報，2012，（31）25－29.

〔6〕李虎民，傅鑒源 .深孔預裂爆破技術在綜采頂板管理中的應用〔J〕.煤炭科學技術，2003，（07）.

〔7〕梁紹權 .深孔控制預裂爆破強化抽放瓦斯技術研究與應用〔J〕.煤炭工程，2009，（06）.

〔8〕煤炭科學研究總院重慶研究院.DGC型瓦斯含量直接測定裝置產品使用說明書〔K〕.重慶：煤炭科學研究總院重慶研究院，2009.