近距離突出煤層群煤巷瓦斯預抽設計研究

張鳳杰，袁德權，任海慧，馬錢錢，王 凱

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037;2.國家煤礦安全技術工程研究中心，重慶400037;3.貴州安和礦業科技工程股份有限公司，貴州貴陽550023;4.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司通風處，山西晉城048205)

突出煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，嚴重影響礦井瓦斯的高效安全治理［1－3］，尤其是近距離突出煤層群的開采，其抽采方式的選擇和抽采鉆孔的合理參數直接影響到瓦斯抽采效果的好壞。

某礦為基建礦井，設計產量1.2Mt/a，井田內賦存上下2個煤組，煤組間距約90～145m，平均間距為115m。上煤組主要可采煤層為6號、7號煤層，下煤組主要可采煤層為16號、23號、27號煤層等。

井田范圍內煤層瓦斯含量高，透氣性差，該礦6號、7號、16號煤層均鑒定為突出煤層，礦井屬于突出煤層群開采，且上煤組的突出危險性高于下煤組。鑒于近距離煤層群采動影響后鄰近層瓦斯涌出治理難度大，為了實現礦井瓦斯有效治理和礦井安全生產，對該礦進行近距離突出煤層群開采煤巷條帶預抽瓦斯設計研究。

1 煤巷條帶瓦斯預抽方式設計

瓦斯抽采巷層位和位置的合理選擇，對瓦斯抽采巷掘進期間的安全掘進、煤巷條帶抽采的鉆孔工程量、鄰近層卸壓瓦斯的抽采方法和鉆孔工程量有重要影響［4－5］，基于上述原則確定礦井上下煤組瓦斯抽采巷的層位和位置。

1.1 下煤組瓦斯抽采巷層位和位置的確定

礦井首采下煤組的分區為一、三分區，首采下煤組的16號煤層，下煤組16號煤層與上煤組7號煤層之間層間距較大 (平均約為130m)。16號煤層頂板30m范圍內賦存砂質泥巖、砂質灰巖 (輔標)、粉砂巖、細砂巖，全區穩定。

在下煤組中，一分區16號與17號煤層平均層間距為7.52m;17號與20號煤層平均層間距為21.59m;三分區16號與17號煤層平均層間距為8.46m;17號與20號煤層平均層間距為18.05m。

從一、三分區下煤組的煤層賦存間距及層間巖性來看，結合《防突規定》二十一條要求，在16號煤層頂板10～30m范圍內具備布置頂板專用瓦斯抽采巷的條件。

頂板瓦斯抽采巷的層位應大于煤層最大垮落帶高度，根據以下公式計算下煤組16號煤層的最大垮落高度［6］:

式中，Hm為最大垮落帶高度;M為煤層采厚;K為冒落巖石碎脹系數，按照煤層層間巖性考慮，取1.2;α為煤層傾角，15°;W為冒落過程中頂板的下沉值，通常取0.2m。

經計算得出:一分區16號煤層Hm=9.24m;三分區16號煤層Hm=11.91m。因此16號煤層的頂板瓦斯抽放巷宜選擇在距離16號煤層法距約12m處。頂板專用瓦斯抽放巷布置如圖1所示。

鑒于下煤組16號煤層頂板存在不可采的煤線15號煤層，其距離16號煤層間距為12.25～35.45m，平均層間距17.83m。因此，16號煤層頂板瓦斯抽采巷應采取邊探邊掘的方式，確保頂板瓦斯抽采巷距離16號煤層法距為12m，同時探明頂板瓦斯抽采巷層位與15號煤層的層位關系，當探測頂板瓦斯抽采巷距離15號煤層的最小法向距離小于5m時，必須對15號煤層采取區域綜合防突措施，確保頂板瓦斯抽采巷掘進工作面前方15號煤層無突出危險性后方可進行掘進。其邊探邊掘鉆孔布置示意圖如圖2所示。

圖1 頂板專用瓦斯抽放巷布置示意

圖2 16號煤層頂板瓦斯抽采巷邊探邊掘示意

1.2 上煤組瓦斯抽采巷層位和位置的確定

礦井首采上煤組的分區為二分區，首采上煤組的7號煤層，上煤組7號煤層頂板存在6－1和6號煤層，且為突出煤層，7號與6－1號煤層之間為10.90～25.50m，平均層間距17.70m，煤層間距變化較大，在7號煤層頂板布置專用瓦斯抽采巷存在誤穿突出煤層的安全風險。因此，7號煤層不具備布置頂板專用抽放巷的條件。

二分區7號煤層底板為細砂巖、粉砂巖和石灰巖，在底板9.56～29.40m之間，平均16.59m處賦存有一層平均2.34m的石灰巖標五，該標志層全區穩定。因此，在7號煤層底板標五層位處布置底板專用瓦斯巷。

設計底板瓦斯抽采巷布置在工作面巷道法線方向:從與工作面巷道法線相交的標高位置沿巖層走向方向布置瓦斯抽采進風巷、回風巷;瓦斯抽采回風巷、進風巷在切眼處貫通后形成全負壓通風系統。

設計優點是:不用揭煤，安全性高;不需要另開石門，有利于解決采掘接替緊張的局面;鉆孔均為上向孔，抽采效果好;鉆孔施工長度短，工程量小;避開卸壓范圍，巷道維護費用低。底板瓦斯抽采巷布置方式如圖3所示，在工作面內錯40m進行布置。

圖3 底板瓦斯抽采巷布置示意

由于上煤組7號煤層底板存在9號、8號煤線，厚度為0.3m，并在標五下部10m范圍內賦存砂質泥巖或粉砂巖、10號煤線、粉細砂巖互層等，因此，7號煤層沿標五掘進底板瓦斯專用抽采巷應采取邊探邊掘的方式，確保底板瓦斯抽采巷掘進工作面前方上部的8號、9號煤層和下部的10號煤層消除突出危險性后方可進行掘進。

2 煤巷條帶預抽參數確定

煤巷條帶預抽鉆孔的主要參數為鉆孔終孔間距。該參數是影響煤巷條帶預抽鉆孔在一定時間條件下抽采效果的主要因素，合理鉆孔間距應遵循抽采時間長、鉆孔施工短的原則進行選擇。通過比較在不同鉆孔間距條件下，鉆孔施工與抽采時間是否能夠滿足現有的鉆孔施工條件和抽掘采銜接要求，確定合理的鉆孔間距。

由于該礦處于基建階段，可參照相似礦區煤巷條帶瓦斯預抽效果及經驗進行綜合分析。

2.1 抽采達標時間確定

該礦煤層瓦斯含量為15～22m3/t，6號、7號、16號煤層透氣性系數為0.0529～0.2394 m2/(MPa2·d)。

類似礦區瓦斯抽采效果如表1所示。由表1可知，該礦煤層瓦斯含量在15～22m3/t的條件下，若不采取強化抽采措施，則煤巷條帶預抽鉆孔間距為5m時，其抽采達標時間不小于2a;間距為3m時，抽采達標時間不小于1a。

表1 類似礦區瓦斯抽采效果統計

由于抽采達標時間過長將不利于礦井按期投達產，因此，可以利用煤層增透措施來強化煤層瓦斯抽采［7－8］，縮短抽采達標時間。近年來，水力壓裂煤層增透工藝在重慶松藻、淮南等礦區推廣使用效果顯著，如表2所示。

從表2可知，相似礦區在水力壓裂前后煤層透氣性系數增加100倍左右，達標時間減少一半左右，抽采鉆孔間距由原來的3m增加到6m左右。在該礦采用水力壓裂，在鉆孔間距不大于6m時，其抽采達標時間減少至1a以內是可行的。確定壓裂后穿層鉆孔間距為3～5m，壓裂后抽采達標時間為1a以內。

表2 不同礦區水力壓裂增透措施效果對比

2.2 鉆孔間距研究

通過不同鉆孔間距條件下對井下鉆孔作業人數、施工時間和對礦井抽掘采銜接影響程度3個方面進行對比分析，綜合確定合理的鉆孔間距。

2.2.1 作業人數分析

以巖巷掘進速度100m/月、煤巷條帶預抽鉆孔施工速度能夠跟上巖巷掘進速度為例，預抽鉆孔間距為3m和5m時，其掘進的巖巷內同時作業人數分析如表3所示。

采用預抽鉆孔間距為3m相比鉆孔間距為5m時，鉆孔工程總量增加2.5倍左右，巷道內同時作業的人數多4～10人，而根據該礦區的實際情況來看，巷道內的作業人數在10人左右較為合適。因此，煤巷條帶預抽鉆孔間距宜采用5m。

表3 巷道同時作業人數分析

2.2.2 施工時間和采掘接替關系分析

預抽鉆孔間距為3m和5m，工作面走向長2000m，3臺鉆機同時施工鉆孔時，對施工時間和采掘接替進行分析，如表4所示。

表4 施工時間與采掘接替對比

(1)施工時間 當選擇鉆孔間距為3m時，16號和7號煤層的鉆孔施工對于巖巷施工時間分別滯后巖巷7.8個月和21.2個月;而采用鉆孔間距為5m時，鉆孔工程量小，且煤巷條帶穿層鉆孔施工速度能夠跟上巖巷的掘進速度。因此，煤巷條帶預抽鉆孔間距宜采用5m。

(2)采掘接替 以巖巷開始掘進為起始時間、以巷道掘進到切眼位置為終止時間為例，當選擇鉆孔間距為3m時，在抽采達標條件下一分區16號煤層和二分區7號煤層工作面準備時間分別為33.8個月和47.2個月;選擇鉆孔間距為5m時，在抽采達標條件下一分區16號煤層和二分區7號煤層工作面準備時間為32.8個月 (其中增透時間為0.8月)，采掘接替不緊張。因此，煤巷條帶預抽鉆孔間距宜采用5m。

綜上所述，確定煤巷條帶預抽鉆孔間距為5m。

3 鉆孔布置

3.1 下煤組16號煤層煤巷條帶鉆孔布置

在頂板瓦斯抽采巷內每隔5m布置一排預抽鉆孔，鉆孔呈扇形布置，采用強化預抽措施，預抽時間為12個月。煤層屬于傾斜煤層，其煤巷條帶預抽鉆孔控制工作面巷道上幫輪廓線外至少20m，下幫輪廓線外至少10m;其下組煤16號煤層煤巷條帶預抽鉆孔布置見圖1所示。

3.2 上煤組7號煤層煤巷條帶鉆孔布置

在底板瓦斯抽采巷內每隔5m布置一排預抽鉆孔，鉆孔呈扇形布置，采用強化預抽措施，預抽時間為12個月。由于二分區7號煤層屬緩傾斜煤層，其煤巷條帶預抽鉆孔控制工作面巷道上幫輪廓線外至少15m，下幫輪廓線外至少15m。其上煤組7號煤層煤巷條帶預抽鉆孔布置見圖3所示。

4 結束語

根據礦井近距離突出煤層群開采的特殊地質情況，對該礦進行煤巷條帶瓦斯預抽設計研究。

(1)根據煤層賦存情況，確定首采下煤組16號煤層的頂板瓦斯抽放巷宜選擇在距離16號煤層法距約12m處;上煤組7號煤層在底板標五層位處布置底板專用瓦斯巷。

(2)為強化抽采效果，設計采用水力壓裂增透措施，分析確定抽采時間為12個月及預抽鉆孔間距為5m，鉆孔呈扇形布置。相似地質條件的礦區實踐證實該方法設計合理，抽采有效。

(3)近距離突出煤層群開采時，需進行區域突出危險性預測，必須采取區域綜合防突措施，并進行效果檢驗后方可進行作業，還應對煤層變形和瓦斯流動的影響做進一步的研究。

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