順層鉆孔預抽工作面高瓦斯礦井防治技術應用研究

吳 洲

（山西潞陽煤炭投資經營管理有限公司，山西 晉中045400）

長期以來，煤礦在實際生產過程中都會面臨瓦斯所帶來的影響，從而制約著煤礦的正常生產效率，甚至威脅著煤炭職工的生命安全。在目前瓦斯治理的常規方式中，仍以加強通風、預抽采、邊抽邊采是治理煤礦瓦斯超限的重要措施，但是依然無法做到對高瓦斯礦井瓦斯災害的完全消除工作，本文通過對相關文獻進行研究發現，在大巷掘進期間，采取邊掘邊抽+臨近巷道預抽+底板裂隙瓦斯收集的綜合治理措施進行瓦斯治理，將可以有效的降低瓦斯濃度，從而扭轉高瓦斯礦井的安全被動局面，本文以潞陽祥升煤業3301回采工作面為背景展開研究。

1 工程概況

山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司礦井位于晉中市壽陽縣，井田面積10.4 km2，批準開采3～15下號煤層，生產規模90萬t/a。根據山西省煤炭工業廳綜合測試中心2014年所編制的《山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司礦井瓦斯涌出量預測報告》顯示，祥升煤業屬高瓦斯礦井，礦井最大相對瓦斯涌出量42.44 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量80.37 m3/min；回采工作面瓦斯絕對涌出量達到最大值43.59 m3/min；地面瓦斯泵站安裝4臺2BEC-80型抽放泵，高、低負壓分源抽采，高負壓泵最大抽氣量為495 m3/min，電機功率630 kW，使用Φ720 mm管路；低負壓泵最大抽氣量710 m3/min，電機功率1 120 kW，使用Φ864 mm管路。礦井抽采方法為：本煤層鉆孔預抽、裂隙帶鉆孔抽采、采空區抽采、高抽巷抽采。

3301工作面采用本煤層鉆孔+裂隙帶抽采+沿空留巷埋管抽采治理工作面瓦斯，根據祥升煤業3#煤層瓦斯地質圖顯示，3301工作面原始煤體瓦斯含量為6.5～8.5 m3/t，屬于二級瓦斯管理區域，在3301軌順回風通道口開始至距切眼10 m處施工平行順層預抽鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔開孔高度1.3 m，鉆孔方位角0°，傾角0°±5°。鉆孔直徑94 mm，鉆孔深度115 m，共施工鉆孔195個，鉆孔進尺22 425 m，如圖1所示。目前3301回采工作面已具備完整的瓦斯抽采系統，但是仍然無法完全排除在回采過程中發生瓦斯事故出現的可能性，因此需要進一步對工作面回采瓦斯涌出規律進行研究，并采取相關防治措施。

圖1 3301工作面本煤層鉆孔示意圖

2 超前排放鉆孔原理及設計機制

2.1 作用原理

由于煤礦在進行開采活動時，會將煤巖體固有的應力平衡狀態破壞，從而造成應力在一定范圍內的重新排列分布。如下頁圖2所示，為3301回采工作面前方應力分布趨勢，這是由于應力這種不穩定狀態，且不規則的分布，煤巖體部分因此形成了卸壓帶、應力集中帶與原巖應力帶三個區域。可以看出，隨著煤體深度的增加，應力大小呈先升后降，逐步趨于平穩的趨勢，其中，應力集中帶受影響最為嚴重，其煤巖體破壞程度也最大[1-2]。

圖2 回采工作面前方垂直應力分布圖

為了有效預防3301回采工作面發生瓦斯事故，本文將先采用超前排放鉆孔卸壓的方式，將工作面前端煤巖體內應力提前釋放，從而使應力變化前置，以達到應力集中帶的區域遠離回采工作面的目的。根據實際情況設定超前排放鉆孔為圓形，如公式（1）、公式（2），其距離圓心距離r所受任一點的應力可分為切向應力σt與徑向應力σr：

徑向應力：

式中：C為煤體黏聚力，MPa；φ為內摩擦角，°；r1為鉆孔半徑，m；r為與鉆孔圓心距離，m。

根據摩爾—庫倫準則，通過公式（3），計算鉆孔周圍煤巖體極限平衡區的半徑，可以得出煤巖體受破壞的程度：

式中：pgH為原巖應力，MPa。

通過上述公式可以得出鉆孔周圍煤巖體的應力大小，計算發現切向應力是導致煤巖體破壞的主要原因，也就是說，煤巖體的抗剪強度要弱于其抗壓強度。

如上文所提到，在3301回采工作面超前排放鉆孔將會在鉆孔周圍形成一個卸壓帶，從而打破煤巖體內應力的分布規則。現在將比較在相同深度情況下，通過對鉆屑指標的分析來決定排放鉆孔的最佳排放半徑。

2.2 超前排放孔參數研究

根據祥升煤業3號煤的地質情況，選擇在3301回采工作面中間區段采用預測指標法，結合現場實測數據來確定超前排放鉆孔的有效排放半徑。如圖3選取表面較為平整煤壁區域，首先1號孔半徑為16 mm，進行有效半徑的測定[3-4]。隨后進行擴孔工作，擴至半徑為21 mm的2號鉆孔，3號與4號為距離均為測試孔，距離其位置分別為2.3 m與2.4 m。

圖3 測試孔布置示意圖（m）

3301工作面超前鉆孔鉆屑量測試結果如圖4所示，3號和4號孔內鉆屑量隨著距排放孔中心距離的增加呈先漲后跌的趨勢。當距鉆孔中心＜1.1 m時，兩者數值接近，在0.9～1.1 kg/m之間，4號孔的鉆屑量在距離1.2 m達到頂峰3.5 kg/m；3號孔則略有延遲，在1.4 m時達到頂峰。可以看出，當距離超過1.1 m時，兩者效果同時趨于不穩定，因此判斷R=21 mm的超前排放孔的有效排放半徑約為1.1 m。

圖4 排放半徑測試結果示意圖

3 3301工作面區域防突措施設計

由于祥升煤業為高瓦斯礦井，在3301工作面回采前應對瓦斯危害進行判斷，現根據3301工作面實際地質條件，設計采用鉆屑指標法進行瓦斯驗證，方法如下：工作面每間隔20 m布置一個鉆孔（鉆孔參數：L=10 m，r=21 mm），驗證鉆孔的鉆屑量S和瓦斯解吸指標K如表1所示。

表1 鉆屑指標法參考臨界值

根據文章2.2對超前排放鉆孔有效半徑的研究發現，其有效間距≤1.1 m。根據山西省煤炭工業廳綜合測試中心2014年所編制的《山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司礦井瓦斯涌出量預測報告》顯示，祥升煤業開采3號煤層時，礦井最大相對瓦斯涌出量42.44 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量80.37 m3/min；故設計超前排放的參數如下：排放鉆孔分四排等間距（0.5 m）排列，鉆孔半徑r=21 mm，孔深h=15 m，如圖5所示。

5-1排放鉆孔布置示意圖（m）

圖5 3301回采工作面超前排放鉆孔布置示意圖

4 3301工作面回采期間應用考察

在祥升煤業3301工作面割煤機采煤前，沿工作面軟分層每隔15 m的間距均勻布置超前排放鉆孔，用來降低瓦斯涌出引發的事故風險，并利用鉆屑量S值與鉆屑瓦斯解吸指標K1對排放效果進行檢驗（參考臨界值S≥6.0 kg/m或K1≥0.5 mL/（g·min1/2）。根據以往經驗，鉆屑量S值在鉆孔每鉆進1 m時測定，而鉆屑瓦斯解吸指標K1則在每鉆進2 m時測定，3301工作面總計統計了長度為60 m的校驗數據，各指標均在臨界值以內，具體如圖6所示。

圖6 工作面回采期間效檢參數隨回采距離變化曲線

5 結論

本文通過對祥升煤業3301回采工作面采用小直徑密集超前排放孔作用原理的研究分析發現，鉆孔半徑為21 mm的小鉆孔有效排放半徑為1.1 m，根據3301工作面實際地質條件與現場實測數據，優化設計出了有關排放孔布置、孔位排列、深度等數據的最佳值域，并在現場校驗后取得了良好的實際效果，對祥升煤業今后的安全生產工作具有很好的指導意義。