穿層鉆孔預抽瓦斯區域消突效果分析

潘鳳龍

0 引言

隨著礦井開采深度和強度的增大，煤層瓦斯含量和地應力不斷增強，使得煤層透氣性降低，突出危險性嚴重，危險礦井安全生產[1]。根據多年的現場實踐應用證明，區域防突技術能夠更有效安全的消突治理瓦斯災害[2]，目前，區域性防突技術措施主要有開采保護層和預抽煤層瓦斯[3]，而單一突出煤層在煤巷掘進時，利用巖石底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯技術提高煤層透氣性及瓦斯抽采率進行區域防突顯得極其重要。穿層鉆孔參數設計依據煤層瓦斯抽采有效半徑的測定，目前測定的方法主要有壓力法與流量法，而這些方法測定時間較長且操作復雜。因此，本文通過利用預測指標法測定瓦斯抽采有效半徑設計穿層鉆孔參數，并采用殘余瓦斯含量、壓力，瓦斯抽采率，預測指標值等指標對比分析底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯技術效果，對今后單一低透氣性煤層瓦斯預抽技術的改進及煤巷的安全掘進具有重要意義。

1 穿層鉆孔卸壓增透機理

底板巷穿層鉆孔條帶預抽煤巷瓦斯是通過向上覆煤層巷道及其兩側一定范圍內打大量的密集鉆孔，使得煤層形成若干個孔洞，鉆孔周圍煤體應力重新分布，由于相鄰鉆孔應力的疊加，應力集中作用使得煤體破碎，應力集中向孔群范圍外的煤體轉移，孔群范圍內煤體產生裂隙，由于裂隙不斷發展，裂隙張開，彼此連通，煤體透氣性增大，煤體得到區域卸壓；同時不斷抽采瓦斯，瓦斯潛能得以釋放，然后再經過較長時間的預抽煤層瓦斯，使瓦斯壓力與瓦斯含量進一步降低，并使得煤層的收縮變形、地應力下降、煤層透氣性系數進一步增高、地應力與瓦斯壓力梯度減小和煤的堅固性系數增加等引起煤層物理參數變化，從而達到消除在煤巷掘進過程中的突出危險性[4]。

2 試驗礦021710工作面概況

某礦021710工作面井下標高為-440 m～-480 m，地面井口標高為260 m；該工作面所采2#煤層，上部煤層不可采，屬于單一煤層開采，工作面走向長度為225m，傾斜長度103 m，煤層平均厚度為4.5 m，煤層傾角平均為26°；煤層瓦斯含量為8.6 m3/t；瓦斯壓力為0.85 MPa，煤的破壞類型為III類，瓦斯放散初速度為13.4，煤的堅固性系數為0.15，煤層透氣性系數為0.396 m2/MPa2.d～0.495 m2/MPa2.d，屬低透氣性煤層；直接頂為砂質頁巖，老頂為中粒砂巖，直接底為砂質泥巖，老底為中粒砂巖；由于該礦不斷向深部開采，煤與瓦斯突出動力現象明顯，被鑒定為煤與瓦斯突出礦井。

3 底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯技術現場應用

3.1 巖石底板巷及鉆場參數設計

巖石底板巷上、下抽放巷與掘進的煤巷水平內錯30 m，施工長度分別為227 m、206 m；切眼抽放巷施工120 m，與工作面切眼水平內錯12m。設計層位為大煤底板以下15 m，巖性為細-中粒砂巖，底板巖石抽放巷每隔24 m施工一個抽放鉆場，鉆場規格5 m×5 m×2.5 m，抽放巷斷面為3.8 m×2.7 m，采用錨網噴支護，頂板破碎或過斷層、陷落柱等特殊地段時加打錨索或U型鋼支護。

3.2 煤層瓦斯抽采有放半徑測定

根據有效抽放半徑選點要求，測試點應在未受抽放和卸壓影響且避開斷層又方便打鉆，同時該點應布置有抽放系統區域。根據該礦021710工作面實際情況，選擇021710工作面溜子道揭煤處打設的抽放鉆孔，在經抽放一段時間后，根據掘進進尺度及抽放前后鉆屑解析指標值分析確定抽放半徑的大小。抽放鉆孔終孔間距布置示意圖見圖1所示，抽放鉆孔參數見表1所示。

圖1 抽放鉆孔終孔間距布置示意圖

表1 抽放鉆孔參數表

表1中1#鉆孔開孔位置距上幫0.9 m，2#鉆孔開孔位置距上幫1.9 m，3#鉆孔開孔位置距下幫0.9 m；其中1#、2#、3#鉆孔為抽放鉆孔，4#、5#鉆孔為預測鉆孔，預測鉆孔長度為10 m。

021710工作面溜子道揭煤處經抽放鉆孔抽放1個月后，在抽放鉆孔中間打預測孔測得鉆屑解析指標值下降明顯且無超標現象，溜子道安全揭煤；同時，溜子道在安全掘進16 m的過程中鉆屑解析指標值均有所下降且無超標現象，在16 m時再打預測孔預測則鉆屑解析指標值，4#預測孔所測值有所下降且無超標現象，5#預測孔在前方8m處所測值基本不變且接近臨界值，將鉆屑解析指標值下降明顯且無超標區域確定為抽放鉆孔抽放有效區域，鉆屑解析指標值基本不變且接近臨界值區域確定為抽放鉆孔抽放無效區域。

通過結合表1抽放鉆孔參數計算得出，在溜子道煤巷在24 m處時，1#、2#鉆孔間距為4.4 m，2#、3#鉆孔間距為5.3 m；因此，021710工作面煤層瓦斯有效抽放半徑為2.2 m～2.5 m。

3.3 穿層鉆孔參數設計

底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯鉆孔應控制整條煤層巷道及兩幫一定距離，依據《防治煤與瓦斯突出規定》傾斜煤層上幫控制為20 m，下幫為10 m。由于上述測定的021710工作面煤層瓦斯抽放有效半徑為2.2 m～2.5 m，考慮抽放時間及打鉆工程量因素，確定穿層鉆孔終孔間距為5 m。由于021710工作面底板巷鉆場間距為24 m，則每個鉆場控制沿煤巷掘進方向前后各12 m范圍內。由鉆場間距與鉆孔終孔間距確定出每個鉆場布置7排5列共35個孔徑為75 mm的鉆孔，相鄰每排鉆孔開孔間距為0.5 m，相鄰每列鉆孔開孔間距為0.8 m，其中最上排和最下排鉆孔分別距鉆場頂部與底部0.5 m，最左列與最右列鉆孔分別距鉆場左右幫各0.4 m，鉆孔終孔位置應穿過煤層至其頂板約0.5 m。35個鉆孔每個鉆孔之間留有足夠的間距，既能達到抽放的控制范圍又能方便連接瓦斯抽放管道，鉆孔在煤層中均勻密集布置，鉆孔終孔點呈網格狀，采用水泥注漿法封孔，采用封孔材料標號不低于32.5級的硅酸鹽礦渣水泥，水灰比為1：0.8～1：1；封孔深度為8 m。巖石底板巷及穿層鉆孔布置剖面圖見圖2所示，底板巷穿層鉆孔終孔布置圖見圖3所示。

圖2 底板巷及穿層鉆孔布置剖面圖

圖3 底板巷穿層鉆孔終孔布置示意圖

3.4 效果考察

1）殘余瓦斯含量、壓力計算

021710工作面走向長度為225 m，傾向長度為103m，底板巖巷穿層鉆孔預抽條帶瓦斯在上下順槽沿傾斜方向控制范圍均為30 m，切眼控制范圍為32 m，煤層平均厚度4.5 m，煤的容重為1.41 t/m3，經過計算得出：021710工作面底板巖巷穿層鉆孔預抽條帶范圍為煤炭儲量為107 750 t；由于原始煤層瓦斯含量為8.6 m3/t，則預抽范圍內煤層瓦斯儲量為926 650 m3；通過收集統計底板巷穿層鉆孔從開始抽放瓦斯以來的數據得出總共抽采的瓦斯純量為306 010 m3，則預抽條帶范圍內煤層殘余瓦斯含量為5.76 m3/t。通過實驗室測定煤的工業分析值及吸附常數，利用朗格繆爾公式反算得出煤層殘余瓦斯壓力為0.39 MPa。

2）瓦斯抽采率計算

現場測定計算瓦斯抽放率，其計算方法一般按照煤層瓦斯含量計算，計算公式如下：

式中：Qk—煤層殘余瓦斯含量，計算為5.76 m3/t；

Wk—煤層原始瓦斯含量，測定為8.6 m3/t；

將相關參數代入公式1計算可得：底板巖巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯平均抽放率為33%。

3）預抽指標值對比分析

通過在下抽巷的穿層鉆孔測定原始煤層濕煤的鉆屑瓦斯解吸指標Δh2為430 Pa～500 Pa，預測孔預測干煤的鉆屑量最大值為10 kg；而經過底板巖巷穿層鉆孔預抽后，通過預測，干煤的鉆屑瓦斯解吸指標Δh2最大值為140 Pa～160 Pa，而鉆屑量最大值為3.5 kg，可見抽采后鉆屑瓦斯解吸指標Δh2與鉆屑量S值均低于臨界值，且下降率為60%左右。

通過對試驗礦021710工作面底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯效果考察得出該工作面煤層殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2與鉆屑量指標S最大值均低于始突臨界值，且瓦斯抽采率達到基本要求，可見巖石底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯區域消突技術對單一突出煤層瓦斯災害治理效果顯著。

4 結論

1）利用預測指標法測定煤層瓦斯抽采有效半徑，并以此設計穿層鉆孔參數來抽采煤巷瓦斯進行區域消突是可行的。

2）通過測定試驗礦021710工作面煤層瓦斯抽采有效半徑為2.2 m～2.5 m，設計的穿層鉆孔終孔間距為5 m，底板巷布置在煤層底板以下15 m處，鉆場間距為24 m，穿層鉆孔控制煤巷上幫20 m，下幫10 m。

3）通過對試驗礦021710工作面底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯技術效果考察得出，經預抽后該工作面煤層殘余瓦斯含量、壓力分別為5.76 m3/t、0.39 MPa，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2與鉆屑量指標S最大值分別為140 Pa～160 Pa、3.5 kg均低于始突臨界值，且瓦斯抽采率為33%，可見底板巷穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯技術對單一突出煤層區域消突效果顯著。