突出煤層立體式瓦斯治理模式與效果檢驗

梁道富，張云寧

（1.貴州黔西能源開發有限公司，貴州 黔西551500；2.兗州煤業股份有限公司濟南煤炭科技研究院分公司，山東 濟南250000）

0 引 言

煤與瓦斯突出事故是煤礦最嚴重災害之一，隨著開采深度的不斷加深，煤層瓦斯含量和壓力逐漸增大，許多煤層在采掘過程中具有突出隱患。研究人員采用了許多瓦斯治理方案[1-4]進行治理，但是不同礦井煤層具有不同地質特征和基礎力學特征，單一治理方法無法達到治理效果。應針對不同礦井選擇合適的治理方法[5-7]，制定具有針對性的瓦斯治理模式。董康乾[8]等人針對董家河煤礦22518 綜采工作面開展瓦斯防治技術研究并進行現場效果檢驗。付亞樓[9]對綜采工作面區域防突抽采技術進行了研究與應用。王寶貴，賈炳[10]針對馬蘭礦18504 工作面瓦斯災害防治措施開展優化研究。范興方[11]針對安順煤礦地質條件進行綜合治理技術研究。

青龍煤礦煤層具有高瓦斯含量，高瓦斯壓力，低滲透性的特點。在掘進煤巷時，煤層瓦斯含量和壓力超標，具有煤與瓦斯突出事故隱患。因此，必須對掘進工作面制定全面的瓦斯治理方案，針對現狀，提出掘進面立體式高效瓦斯治理方案，包括突出煤層區域瓦斯治理，水力沖孔增透強化抽采瓦斯和突出煤層掘進工作面瓦斯治理措施。致力從多個角度對掘進工作面瓦斯治理制定了全面的措施，以期消除突出隱患，保證生產安全。

1 工程概況

青龍煤礦屬貴州黔西能源開發有限公司，位于黔西縣東南部，井田地形條件總體上受區域性地質構造和巖性控制。井田內地勢總趨勢呈南東高、北西低。東部及南部較平緩，西及西北部地勢起伏較大。經測定，16 煤層瓦斯含量為12.16～19.88m3/t，平均含量為16.02m3/t，18 煤層瓦斯含量為6.20～24.37m3/t，平均含量為15.28m3/t，具體如表1 所示。16，18 煤層瓦斯壓力如表2 所示。

1615 運順施工層位為16 煤及其底板粉砂巖。根據11615 工作面施工抽采鉆孔前16 煤層取樣化驗結果，16 煤層最大瓦斯含量為17.9487m3/t（包含3.83m3/t 的不可解析瓦斯含量）。

表1 16、18 煤層瓦含量測定結果

表2 16、18 煤層瓦斯壓力測定結果

2 立體式瓦斯治理方案

2.1 突出煤層區域瓦斯治理措施

2.1.1 底抽巷抽采瓦斯

綜合礦井煤層地質條件和瓦斯治理需求，選擇設計底板瓦斯抽采巷，利用穿層鉆孔預抽瓦斯。底板瓦斯抽采巷設計以L9 上灰巖作為頂板標志層，在距18 煤底板8～10m 層位處布置，并在瓦斯底抽巷內每隔6.5m 布置一個鉆場，其中個鉆場布置6～8 個鉆孔，鉆孔直徑為94mm，封孔深度8m 全孔下套管，鉆孔控制到上部16 煤層巷道輪廓線外15 米范圍，底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔布置示意圖如圖1 所示。

2.1.2 定向抽采鉆孔設計

通過在16 煤底板施工定向鉆孔主孔（主孔主要分為兩種方式施工，一種是鉆場在16 煤底板，鉆孔在16 煤底板施工主孔；另一種是鉆場在底抽巷，鉆孔穿過灰巖、18 煤到16 煤底板施工），主孔間距10m，孔深120～600m 左右，在主孔每隔60～80m 開分支進入煤層，分支孔煤段長度在30～100m 左右，具體如圖2 所示。

圖2 掘進工作面定向抽采鉆孔布置剖面圖

2.2 水力沖孔增透強化抽采瓦斯措施

為了保障工作面巷道掘進和開切眼施工的安全，通過在11615 運順及軌順底抽巷，為降低11615工作面瓦斯含量和壓力，預先結合水力沖孔增透措施對煤層瓦斯抽采。

此次卸壓增透促進煤層瓦斯抽采選擇水力沖孔與普通鉆孔結合的方式，對1# 鉆場進行現場試驗，選取1# 鉆場3#、6# 和7# 鉆孔進行高壓水射流破煤試驗，其他鉆孔為普通抽采鉆孔。經查閱文獻資料并結合現場實際情況，綜合水力沖孔和不沖孔有效半徑確定各個鉆孔孔間距為4.5m，鉆孔均設計直徑為113mm，各鉆孔傾角具體見圖3。

2.3 突出煤層掘進工作面瓦斯治理措施

工作面預測有突出危險時，主要采取施工超前鉆孔或松動爆破作為工作面局部防治突出措施。

2.3.1 超前鉆孔

超前鉆孔施工時根據煤層的厚度及巷道斷面進行布置施工，超前鉆孔直徑不小于76mm，必須控制在巷道輪廓線外5m 位置，超前鉆孔的終孔間距根據鉆孔的超前鉆孔半徑而定，鉆孔的終孔間距小于鉆孔超前鉆孔半徑的2 倍。超前鉆孔的布置與石門揭煤工作面超前鉆孔的布置方式相同。最后一個超前鉆孔施工完畢后必須有不小于8h 的超前鉆孔時間，保證煤層得到充分的卸壓和抽采。超前鉆孔布置如圖4 所示。

圖3 穿層鉆孔剖面圖

圖4 煤巷掘進工作面超前鉆孔布置圖

2.3.2 深孔松動爆破

實施深孔松動爆破時在工作面施工3 個深度為8～10m 爆破孔和4 個長度大于爆破孔長度的卸壓孔，爆破孔的孔徑為42mm，卸壓孔的孔徑為75mm 以上，爆破孔的終孔控制在巷道輪廓線外3m。爆破孔和卸壓孔就交替布置，具體如圖5 所示。利用爆破孔爆破產生的動能和卸壓孔提供的導向使煤體原有裂隙擴展，達到瓦斯和應力卸壓，煤層增透的目的。

圖5 煤巷掘進工作面深孔爆破布置圖

3 瓦斯治理方案效果檢驗

3.1 瓦斯治理效果檢驗鉆孔布置

在現場進行如圖6-圖8 所示的測點，用于檢驗立體式瓦斯治理效果。

圖6 區域預抽瓦斯措施檢驗測試點布置圖

圖7 區域穿層鉆孔預抽瓦斯措施檢驗測試點布置圖

3.2 區域預抽瓦斯效果檢驗

11615 工作面運順底抽巷頂板穿層鉆場20 組、21 組和22 組鉆場的瓦斯抽采濃度隨時間的變化，如圖9 所示。在抽采初期瓦斯濃度都在50%左右，經歷1 年時間的抽采瓦斯濃度逐漸降低，在抽采末期抽采瓦斯濃度低于10%。

圖8 順層鉆孔或定向鉆孔抽采煤層條帶措施檢驗測試點布置圖

圖9 11615 工作面底抽巷頂板穿層鉆場瓦斯抽采濃度隨時間變化關系

3.3 水力沖孔卸壓增透抽采瓦斯效果考察

根據1#鉆場水力沖孔與普通鉆孔相結合的網絡化鉆孔組合卸壓增透的試驗，選取進行水力沖孔的3#，6#，7#鉆孔。根據水力沖孔出煤量和煤層中射流鉆頭的進深，計算出水力沖孔擴孔半徑，見表3。結合水力沖孔前煤層瓦斯含量和進行水力沖孔30 天后煤層殘余瓦斯含量，計算出1#鉆場各鉆孔的瓦斯抽采率，見表4。

表3 水力沖孔試驗效果

表4 考察孔瓦斯抽采率

從表4 可看出，經30 天的瓦斯抽采，各個試驗鉆孔的瓦斯抽采率均大于20%。在1#鉆場區域內，瓦斯的平均抽采率達到了43.4%。而且次水力沖孔的影響半徑達到9m，所以煤層水力沖孔技術不僅增大瓦斯抽采量，而且可成倍擴大鉆孔的瓦斯抽采半徑，對煤層瓦斯抽采有積極地影響。

3.4 掘進工作面掘進效果

采用煤與瓦斯突出煤層掘進工作面立體式高效瓦斯治理技術前，11615 掘進工作面突出綜合指標時常超限，巷道掘進月進尺僅有20～70m。經立體高效式瓦斯治理技術后，11615 運順評價區域內瓦斯壓力均＜0.6MPa，瓦斯含量均＜6m3/t，鉆屑量S均值為2.4＜6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2 均值為190＜200 Pa，大幅度降低了效檢超標率，巷道掘進月進尺達到200m 左右，提升了3～4 倍。物料交接和現場安全環節檢查采用分工平行作業的方法進行施工，縮短大約10min 左右的交班時間。日均進尺優化提升3.2m，月均進尺優化提升96m，月掘進效率提升66.7%。

4 結 論

1）針對青龍煤礦11615 工作面存在突出隱患問題，提出了基于水力沖孔和深孔松動爆破卸壓增透的局部+區域立體式高效瓦斯治理模式。

2）通過保護層（16 煤）的開采，被保護層（18煤） 煤層透氣性系數由7.1m2/（MPa2·d） 增加到101.2m2/（MPa2·d），提高了14 倍。

3）水力沖孔擴孔半徑超過了鉆孔半徑的3 倍，高壓水射流破煤效果顯著，在一定程度上降低和消除了突出危險性。采用水力沖孔強化增透抽采瓦斯，各個考察孔的瓦斯抽采率瓦斯抽采率均大于20%，瓦斯的平均抽采率達到了43.4%；鉆孔的瓦斯抽采半徑擴大了1 倍，達到了9m。

4）經過煤與瓦斯突出煤層掘進工作面立體式高效瓦斯治理，突出指標有了明顯下降。11615 運順評價區域內瓦斯壓力均＜0.6MPa，瓦斯含量均＜6m3/t，鉆屑量S 均值為2.4＜6kg/m，鉆屑瓦斯解吸指標Δh2 均值為190＜200Pa，各項檢驗指標均低于臨界值。