低透氣性煤層底板巖巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

張志義

（山西省晉煤集團(tuán)晉煤大學(xué),山西 晉城 048007）

山西省晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司目前開采3 號(hào)煤層，絕對(duì)瓦斯涌出量395.58m3/min 以上，相對(duì)涌出量23.50m3/t 左右[1]。3 號(hào)煤層瓦斯涌出衰減較大，煤層透氣性較差，煤層瓦斯可抽采類型定為較難抽采類型，瓦斯賦存不均衡，存在明顯的區(qū)域性差異。煤巷采取單一順層鉆孔預(yù)抽瓦斯效果較差，而且順層鉆孔深孔施工定位困難，抽采鉆孔布置不均勻，易造成局部鉆孔密集區(qū)域和沒有鉆孔的空白區(qū)域。空白區(qū)域的瓦斯如果不能得到及時(shí)抽采，必然會(huì)造成掘進(jìn)生產(chǎn)時(shí)瓦斯涌出量大，瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，不僅安全生產(chǎn)受到威脅，而且妨礙掘進(jìn)工作面的正常推進(jìn)。

1 工作面瓦斯賦存情況

趙莊煤業(yè)1308 工作面瓦斯含量12.73m3/t，透氣性系數(shù)0.21（MPa2?d），原始瓦斯壓力為0.71MPa，百米鉆孔瓦斯流量0.0039m3/（min?hm），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.39d-1，煤層瓦斯抽采類型定性為較難抽采型[2]。根據(jù)AQ1026-2006《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》中的規(guī)定采煤工作面每日回采煤量在6000~8000t 煤時(shí)，煤體可解析瓦斯含量≤5m3/t。1308 工作面的煤體殘存瓦斯量為2.65m3/t，所以工作面在回采前煤體瓦斯含量必須降到7.65m3/t以下。

工作面按照120m 一個(gè)抽采單元進(jìn)行計(jì)算:

（1）抽采單元的煤炭儲(chǔ)量:A=120×220×4.6×1.42=17.24 萬t

（2）抽采單元內(nèi)的瓦斯儲(chǔ)量為：Q=17.24×12.73=219.47 萬m3

（3）瓦斯含量降到7.65m3/t 以下時(shí)，需要抽采的瓦斯量：

Q=17.24×（12.73-7.65）=87.58 萬m3

從以上數(shù)據(jù)可知：一盤區(qū)3 號(hào)煤層瓦斯涌出衰減較大，煤層透氣性較差，瓦斯賦存不均衡，存在明顯的區(qū)域性差異，致使煤層瓦斯預(yù)抽比較困難。因此，1308 工作面如果使用單一順層鉆孔抽采瓦斯預(yù)計(jì)需要450d，要避免出現(xiàn)1305、1306 工作面煤巷掘進(jìn)周期長、進(jìn)度緩慢，致使采煤工作面布置準(zhǔn)備時(shí)間過長，遠(yuǎn)超過計(jì)劃周期，采掘接替緊張，造成生產(chǎn)準(zhǔn)備工作滯后，嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)計(jì)劃安排的現(xiàn)象，必須開展底抽巷鉆孔技術(shù)研究，才能縮短抽采周期，加快掘進(jìn)速度，盡快完成設(shè)計(jì)布置工作面的目的。

2 底板巖巷抽采設(shè)計(jì)及施工情況

2.1 底抽巷布置層位

底抽巷布置層位上距3 號(hào)煤層底板20~25m。

2.2 穿層抽采鉆孔布置

底抽巷穿層鉆孔設(shè)計(jì)為：上向鉆孔施工時(shí)，覆蓋范圍巷道左右兩幫輪廓線外各20m。鉆頭直徑為113mm，見煤段擴(kuò)孔時(shí)鉆頭使用直徑260mm。每隔60m 布置一個(gè)抽采評(píng)價(jià)單元，一個(gè)單元設(shè)計(jì)12 組鉆孔，每組鉆孔左、右兩幫各為兩排，每排10個(gè)鉆孔，每單元共計(jì)120 個(gè)孔。

2.3 穿層鉆孔封孔聯(lián)孔標(biāo)準(zhǔn)要求

采用兩個(gè)編織袋、PE 管、QN 水泥等材料，以及聚氨酯黑、白料各5kg，配比比例1:1。穿層鉆孔要求在見矸段的兩端使用聚氨酯進(jìn)行封孔，中間部分使用水泥注漿，見矸段區(qū)間使用70mm 套管護(hù)孔，在見煤段區(qū)間使用70mm 花管護(hù)孔。

穿層鉆孔聯(lián)孔標(biāo)準(zhǔn)：穿層鉆孔連接采用蛇形管，蛇形管連接處固定全部用“彈簧卡”。

2.4 底抽巷瓦斯抽采系統(tǒng)

瓦斯抽采管路從西翼北回風(fēng)巷—1102 巷—13062 巷聯(lián)絡(luò)橫川—1104 巷—1307、1308 巷（底抽巷），在底抽巷巷道頂部敷設(shè)一趟Φ355mm 的抽采主管路，主管路吊掛在頂上距左幫第一根錨索上，管路距頂?shù)木嚯x為300mm。在每個(gè)抽采單元從抽采管路上單獨(dú)出一趟Φ280mm 的支管路，支管路吊掛在巷道兩側(cè)的幫上，距頂1.5m。主管和分管全部采用吊鏈吊掛方式，管路采用快速接頭進(jìn)行連接，每根管路安裝兩根吊鏈，吊鏈與管路接觸處要加設(shè)絕緣皮。在底抽巷口瓦斯抽采管路均安設(shè)自動(dòng)計(jì)量裝置、蝶閥、自動(dòng)放水器和孔板流量計(jì)。底抽巷巷道中每500m 安設(shè)一個(gè)蝶閥，每200m 和低洼處安設(shè)一個(gè)自動(dòng)放水器。前期每60m 為一個(gè)抽采單元，每個(gè)抽采單元單獨(dú)安裝一套自動(dòng)計(jì)量裝置和自動(dòng)放水器。

瓦斯管路鋪設(shè)完畢后，要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行氣密性檢查，其壓力不得小于0.2MPa，10min 內(nèi)無壓力降。管路上每200m 和轉(zhuǎn)彎處貼“瓦斯抽采管路嚴(yán)禁碰撞”白底紅字反光標(biāo)簽。

2.5 抽采監(jiān)測

在底抽巷巷口安設(shè)自動(dòng)計(jì)量裝置，前期每60m為一個(gè)抽采單元，每個(gè)抽采單元單獨(dú)安裝一套自動(dòng)計(jì)量裝置和自動(dòng)放水器，對(duì)抽采系統(tǒng)的流量、濃度、負(fù)壓、抽采總量等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測及每天進(jìn)行測定。每個(gè)鉆孔安裝一個(gè)孔板，每天對(duì)每個(gè)孔板的參數(shù)進(jìn)行人工測定，在工作面回采前按照要求對(duì)每個(gè)抽采單元進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 1307底板巖巷穿層鉆孔抽采布置方式及施工

1307 工作面可采長度2103.5m，工作面走向長度232.5m，回采時(shí)平均煤厚4.6m，工業(yè)儲(chǔ)量318.37 萬t。

圖1 1307 底抽巷穿層鉆孔布置圖

1307 底抽巷第一至四單元為60m 的抽采單元，一單元鉆孔按照5m×5m 進(jìn)行布置，每組設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔。由于未考慮鉆孔抽采影響半徑，鉆孔布置太密，工程量大，施工緩慢，且易造成穿孔影響抽采。在考察了抽采有效影響半徑之后，從第二單元開始對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，開始每組按照5 個(gè)鉆孔（見煤5m×5m）進(jìn)行布置，如圖1、2 所示。

圖2 1307 底抽巷鉆孔布置剖面圖

4 底板巖巷穿層鉆孔高效預(yù)抽快速掘進(jìn)效果分析

（1）瓦斯治理效果分析

按每120m 或12 個(gè)鉆場為評(píng)價(jià)單元，底板巖巷穿層鉆孔區(qū)域預(yù)抽后，1307 掘進(jìn)工作面測試殘存瓦斯含量由原煤瓦斯含量8~17m3/t，降低至5.6~7.83m3/t。1308 掘進(jìn)工作面測試殘存瓦斯含量由原煤瓦斯含量8~18m3/t，降低至5.2~7.78m3/t。與相鄰的順層鉆孔預(yù)抽的13065 掘進(jìn)工作面原煤瓦斯含量8~16m3/t 相比較，原煤瓦斯含量基本相當(dāng)，但其抽采后的殘余瓦斯含量7~12m3/t，判定底板巖巷穿層鉆孔抽采效果優(yōu)于順層鉆孔。

掘進(jìn)時(shí)，1307 和1308 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.2%~0.3%，鄰近的13065 掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛?.5%~0.6%。通風(fēng)測定掘進(jìn)工作面風(fēng)速0.8m/s左右，因此，同時(shí)滿足風(fēng)速不超過4m/s、回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊陀?%的要求，判定掘進(jìn)工作面瓦斯抽采效果達(dá)標(biāo)[3]。

（2）瓦斯高效抽采效果分析

1307 和1308 底板巖巷抽采單元預(yù)抽期180d~220d，13065 掘進(jìn)工作面預(yù)抽期達(dá)到350d~450d。相較而言，底板巖巷抽采的合理預(yù)抽期較順層鉆孔抽采相對(duì)縮短了170~230d 以上。證明3 號(hào)煤層低透氣性煤層使用底板巖巷穿層鉆孔抽采瓦斯后，1307和1308底板巖巷抽采周期顯著縮短，效果良好。

（3）快速掘進(jìn)效果分析

原13065 巷掘進(jìn)速度3.71m/d，合計(jì)月進(jìn)度111.3m，而1307 掘進(jìn)工作面平均月進(jìn)205m、1308掘進(jìn)工作面202m，日進(jìn)尺最高達(dá)8.4m，平均月進(jìn)尺203m，比原順層鉆孔條件抽采的掘進(jìn)工作面月掘進(jìn)速度提高了69.2%以上，超過提高50%的判定指標(biāo)，快速掘進(jìn)效果凸顯。

研究表明，趙莊礦低透氣性煤層底板巖巷穿層鉆孔抽采技術(shù)能夠最大限度改善煤層透氣性和強(qiáng)化瓦斯抽采效果，高效抽采達(dá)標(biāo)，顯著提高煤層巷道掘進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)礦井抽、掘、采平衡，提高礦井安全保障程度和生產(chǎn)效率。