地質構造影響區域工作面瓦斯預抽采技術應用研究

崔 猛

（霍州煤電李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

李雅莊煤礦2-607綜采工作面位于已搬遷的郝家腰村中部，大部為黃土覆蓋，為低山區丘陵地帶。2-601工作面位于六采區中部左翼，為西南-東北走向。該工作面煤層屬于二疊系山西組2#煤，本工作面為1、2#煤層合并區域，節理較為發育，平均煤層厚度為3.27m，預計夾矸厚度最薄為0.14m，最厚為0.4m，煤層結構復雜2-607綜采工作面按一進一回布置,實行“U”型通風，布置兩條順槽巷道，即皮帶運輸巷、軌道運輸巷。工作面位于六采區前進方向的右翼，沿煤層走向布置,與正在回采的2-605工作面相臨。開采2#煤層，類型為：Ⅱ類自燃發火傾向性，具有爆炸性；煤層爆炸性指數為25.13%。2-6071皮帶運輸巷用于2-607工作面進風巷，設計全長1417m，2-6072軌道運輸巷用于2-607工作面回風巷，設計全長1431m。工作面切巷設計全長220m。

李雅莊煤礦屬于高瓦斯礦井，正在回采的605工作面主要的瓦斯基礎參數有：瓦斯壓力：0.697MPa；煤層瓦斯含量：6.314m3/t；透氣性系數：0.4625m2/MPa2·d；根據這些情況，為了防治工作面回采過程中，瓦斯過多而造成危險，需通過施工本煤層鉆孔提前抽采以降低煤體瓦斯含量。根據工作面三維地震勘探資料顯示，影響本工作面布設的主要地質構造有一條0～7m正斷層、兩個陷落柱，具體位置如下：斷層預計距6071巷78m，走向260°，距6072巷開口150m處，走向15°；陷落柱位于6071開口920m，976m處，陷落柱位于6072巷900m,工作面右側25m處。根據以往的生產經驗可知，陷落柱對于瓦斯預抽由較大影響，而斷層附近由于構造應力的影響，透氣性較差，對于瓦斯的滲透和抽采造成很大影響，容易造成破碎煤體內瓦斯積聚，一旦鉆孔的布置不合理，抽采不均勻，就大大增加了煤與瓦斯突出的危險，因此在607工作面斷層附近需要對鉆孔位置及施工方法進行調整，從而達到提高瓦斯抽采效果的目的[1～2]。

2 斷層影響范圍模擬研究

2.1 斷層影響數值模擬

由于斷層對于周圍煤巖體的破壞，導致斷層周圍煤巖體更為破碎，裂隙發育較好，瓦斯涌出量更多，并且由于斷層的側向和垂向封閉作用，使斷層附近煤與瓦斯的突出危險性增加，通過適當的增加瓦斯抽放孔的密度，更好的排放該區域內的瓦斯。現結合607工作面具體的地質狀況，應用FLAC3D接觸面命令進行模擬，定量的預測斷層的影響區域，來服務于鉆孔的設計。根據地應力測試的結果，模型為左右兩邊簡支，下部固支，頂部為自由邊界，上覆巖層的地應力簡化為15.6MPa的均布載荷，平衡后模擬斷層對于煤巖體的影響范圍，平衡后模型的塑性區分布如圖1所示。

圖1 斷層附近塑性區分布

上圖為607工作面在沒有采動的影響下，斷層附近煤巖體內塑性區的發育情況，由圖可以看出，正斷層的上盤塑性區范圍大于下盤，塑性區水平方向的長度大約為40m，破壞的主要形式為剪切破壞，破壞最為嚴重的是煤層底板內聚力較小的泥巖，因泥巖的透氣性較差，并且斷層的滑動作用可能導致在斷層面形成泥巖涂抹層，減弱其透氣性，更易造成瓦斯的積聚。因此在鉆孔的設計時必須充分考慮斷層、陷落柱等地質構造的影響。

2.2 607工作面鉆孔布置設計

2-607工作面鉆孔布置采用單排順層平行的布置方式，鉆孔從工作面停采線開始從外向里施工，施工至距切巷10m處停止，鉆孔開孔高度1.5m-1.7m，鉆孔單孔深度210m，鉆孔直徑∮113mm。施工角度：水平角垂直煤壁，傾角沿煤層進行施工，根據兩巷標高每50m核對角度。遇到斷層、陷落柱時鉆孔施工角度區必須按照實際鉆探情況結合斷層傾角給予標定，鉆孔參數見表1。

表1 607工作面本煤層鉆孔設計參數表

根據607工作面內地質構造的分布，以及斷層影響區域數值模擬的結果，根據鉆孔間距離的布置可以分為以下三個區段：①1～700m之間鉆孔間距為5.4m（鉆孔間隔5排），施工鉆孔130個；②由于該區段內預計有兩個陷落柱，故在700～1200m之間鉆孔間距調整為3.6m（鉆孔間隔3排），施工鉆孔139個；③由于該區域內存在著正斷層，工作面準備期間導致煤巖體更為破碎，裂隙發育良好，煤與瓦斯突出的危險性增大，適當的加大瓦斯抽放孔的密度，根據數值模擬的結果及巷道掘進過程中煤層內瓦斯的涌出情況，設計將1200-1400m之間鉆孔間距調整為1.8m（鉆孔間隔1排），施工鉆孔111個，2-6071巷設計鉆孔380個，及鉆孔布置圖詳見圖1。

圖2 2-607工作面鉆孔布置圖

3 構造區域鉆孔施工

3.1 地質構造對鉆孔施工的影響

在700～1200m區段內由于陷落柱的影響在鉆進時常出現卡鉆、塌孔、噴孔等現象，對該區段內139個鉆孔的成孔情況進行統計，得到結果如圖3所示。

圖3 鉆孔成孔情況統計圖

由該區段成孔情況統計結果可知，在607工作面地質構造影響范圍內，鉆孔成孔率較低，并且出現卡鉆等現象，造成經濟損失。鉆孔的設計長度為210m，該區段內鉆孔一共139個，如果將鉆孔長度大于150m看作成孔的話，該區段內成孔率約為40%，并且出現了6次卡鉆現象和多次塌孔、噴孔等現象，嚴重影響該區域的瓦斯預抽采效果。

工作面內由于斷層、陷落柱等地質構造的存在，改變了周圍煤巖體內主應力的大小和方向，在構造應力和地應力長期影響下使該區域內煤體裂隙發育完全，煤體松軟，容易導致大量的瓦斯聚集，在進行瓦斯排放鉆孔的施工時常常出現排渣量增加的現象，在排渣量提高的過程中，常伴隨著大量瓦斯涌出的現象[3～4]。鉆孔塌孔是一種動力較弱的表現，在地應力和瓦斯壓力的共同作用下，由于煤體較破碎、軟弱，鉆孔孔壁坍塌，目前常用的解決方法是使用水力排渣鉆進。而鉆孔在鉆進過程中出現的噴孔現象是一種劇烈的動力表現，這是由于瓦斯壓力過大引起的鉆孔內部的煤與瓦斯突出的現象，在斷層附近鉆孔的施工過程中，發生噴孔的位置在孔底區域，噴孔形成的"空穴"導致鉆頭失去約束而出現"掃孔"的現象，導致無法繼續鉆進，影響鉆孔的成孔質量并且由于噴孔的影響導致鉆孔變形，出現卡鉆的現象，造成經濟損失。因此必須采取有效地方法解決此類問題。

3.2 “孔內高壓”施鉆工藝

煤體內瓦斯的排出主要依靠其內部瓦斯的壓力與鉆孔內氣體壓力的差值，使煤體內的瓦斯不斷的向鉆孔內運移，最終通過通風排出工作面區域。通過增加空壓機的供風的能力和壓力從而實現“孔內高壓”，這使煤體內瓦斯的壓力與鉆孔內的氣體壓力差值減小，降低了兩者之間的壓力梯度，使鉆孔周圍煤體內部的瓦斯解吸反應減弱，減小瓦斯的涌出量，最終避免鉆孔內的煤與瓦斯突出的現象，同時由于孔內壓力的增大，能夠更多的抵消孔壁向鉆孔徑向的應力，保持孔壁的完整性，提高鉆孔成孔率。

目前國內常用的空壓機主要有螺桿式和活塞式，最大壓力可達到2.0MPa，根據相鄰的2-605工作面煤體內瓦斯的壓力，綜合考慮空壓機運行中壓力的損失以及施工的安全等因素最終確定空壓機的額定風壓為0.8～0.9MPa。根據現有的設備，在2-607工作面內正斷層上盤80m及下盤120m范圍內采用ZDJ1900S（MDK-5S）型鉆機，鉆機轉速為100～200r/min，輸出扭矩為 600～1500N/m。鉆孔布置采用單排順層平行的布置方式，鉆孔開孔高度1.5m～1.7m，鉆孔間距為1.8m，鉆孔深度2100m，設計采用該鉆機一共鉆設111個鉆孔，鉆孔的長度和直徑不變。

3.3 封孔、連孔工藝

1）封孔選用兩堵一注封孔方式：封孔管選用5根φ75×3000mmPE封孔管，鉆孔封孔長度為15m，封孔區段為6m～14m位置，封孔管外露不超過200mm，孔口外采用100×100 mm的水泥砂漿封孔。封孔材料采用動壓封孔，將注漿料倒入注漿機內，注漿料攪拌均勻后，將注漿機與封孔器連接進行注漿。

2）鉆孔聯孔選用φ75、φ102高壓膠管,每6個孔為一組，連接一個放水器，鉆孔都安裝測量咀，用于測量鉆孔瓦斯參數。鉆孔護孔選用φ32×3000mmPE篩管（帶絲扣），要求鉆孔全程下篩管。

通過實踐證明，改進鉆機后成功提高了順層水平鉆孔的成孔率，150m以上的成孔率約為75%，并且再未出現過噴孔、卡鉆等現象，鉆孔的速度也得到一定的提升。

4 結論

通過對于李雅莊煤礦2-607工作面瓦斯預抽地質構造影響條件下鉆孔布置的設計，在斷層及陷落柱影響區域加大瓦斯抽放孔的密度，排除了異常區段煤與瓦斯突出的危險，并采用“孔內高壓”施鉆工藝，成功解決了該區域內鉆孔噴孔、塌孔等現象，并且縮短了施工工期，節約了成本，取得了良好的工作面瓦斯預抽采效果。