土城礦石門跨區段揭煤精準消突技術研究

張時超 李遠知 程 坦

（1.盤江精煤股份有限公司土城礦，貴州 六盤水 553529；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

土城礦為近距離煤層群開采，各煤層均具有突出危險性，采區延深工程中石門數量多、揭煤次數多，成為防治煤與瓦斯突出事故的重點。本文以土城礦158 運輸石門及158 回風石門揭煤為研究對象，深入研究石門跨區段揭煤精準消突技術[1-4]，為保證礦井安全生產、防止突出事故發生提供實踐參考。

1 工程概況

土城礦含煤地層為二疊統龍潭組，屬于薄及中厚煤層為主的近距離煤層群。158 運輸石門及158回風石門為下區段準備巷道，掘進期間需從煤層底板 揭 露29#、27#、24#、21#、20#、18#、17#、16#、15#、12-2#、12#、6#、5#、3#煤 層，共 計14 層煤。為保證158 運輸石門及158 回風石門揭煤區域瓦斯治理工作到位，安全揭露各煤層，通過上區段157回風石門施工順層瓦斯抽采鉆孔，進行跨區段消除石門揭煤突出危險性。現157 回風石門為上區段準備巷道已揭露至9#煤層，158 運輸石門已揭露21#煤層，距15#煤層175 m，158 回風石門已揭露27#煤層，距15#煤層383 m。

2 石門跨區段揭煤精準消突技術

2.1 鉆孔布置參數計算

合理的鉆孔布置是確保瓦斯抽采到位、無抽采盲區的關鍵。以煤層瓦斯流動理論為基礎，任意時刻每米鉆孔瓦斯抽采量Q與預抽周期如下式：

式中：Q0為每米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3；t為預抽周期，h；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數。

對式（1）進行積分，可得到抽采70 d 后鉆孔瓦斯累計抽采量Qt與時間的關系如下：

式中：L為鉆孔見煤段長度，m；ρ為煤體密度，kg/m3；r1為鉆孔半徑，m；r2為有效抽采半徑，m；W為煤層原始瓦斯含量，m3/ t；η為煤層瓦斯抽采率，%。

因鉆孔半徑遠小于有效抽采半徑，故可得有效鉆孔半徑影響范圍：

由計算可知預抽70 d 時鉆孔有效影響半徑可達3.0 m 左右。

2.2 順層長鉆孔跨區段預抽揭煤區域瓦斯

近距離煤層群相鄰區段石門揭露相同煤層時，采用已揭露完畢的石門沿煤層傾向施工順層長鉆孔預抽相鄰區段石門揭煤區域瓦斯，通過施工密集的抽采鉆孔使煤體形成局部卸壓，在預抽煤層瓦斯作用下降低其瓦斯壓力與瓦斯含量，從而實現瓦斯潛能減弱、地應力下降，并使揭煤區域煤層堅固性系數增加，達到消除突出危險性的目的[5-6]。

通過157 回風石門揭露15#煤層位置施工順層長鉆孔跨區段預抽158 運輸石門、158 回風石門揭煤區域瓦斯，根據《防治煤與瓦斯突出細則》對采用井下預抽煤層瓦斯作為區域防突措施要求，抽采鉆孔最小控制范圍是石門揭煤處巷道輪廓線外左右及上下方至少15 m（見煤點）[7]。因兩條石門距離較近且揭煤預抽瓦斯區域存在重疊部分，為減少鉆孔施工工程量及后期回采巷道布置期間的瓦斯治理，綜合考慮將兩條石門揭煤瓦斯抽采區域合并為一個較大范圍的抽采區域，在157 回風石門揭露15#煤層位置處兩側施工1#、2#鉆場。以上述鉆孔預抽70 d 時的有效影響半徑為鉆孔布置依據，呈扇形均勻布置，控制157 石門揭煤傾向區域。采用的鉆孔直徑為94 mm，共計15 個鉆孔，鉆孔設計參數見表1，鉆孔設計如圖1。

2.3 精準控制揭煤區域瓦斯抽采范圍

保證鉆孔施工質量、精準控制瓦斯抽采范圍是實現跨區段石門揭煤區域消除突出危險性的關鍵。根據鉆孔設計、施工難度及現有技術裝備水平，鉆孔施工采用ZDY10000SWL 型大功率、大扭矩鉆機配合ZXC1000 型鉆孔測斜儀，進行開孔定位，并在鉆進過程中連續記錄鉆孔軌跡測斜數據，為鉆孔成孔質量、精準控制預抽瓦斯范圍合理性提供依據。通過鉆孔完成圖顯示，瓦斯預抽范圍完全覆蓋158 回風石門、158 運輸石門揭15#煤區域。通過ZXC1000 礦用鉆孔測斜儀測量，各鉆孔質量評價見表2。

圖1 跨區段預抽揭煤區域瓦斯鉆孔設計圖

表1 鉆孔設計參數表

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯抽采效果及突出危險性評價

2020 年6 月12 日在157 回風石門鉆場施工8#鉆孔時，對下區段揭煤區域15#煤層原始瓦斯參數進行測定，其原始瓦斯含量為8.929 8 m3/t，原始瓦斯壓力為1.21 MPa。截至6 月29 日8 點班完成設計鉆孔施工及封抽工作。1#、2#鉆場預抽揭煤區域瓦斯情況如圖2。

表2 鉆孔質量評價統計表

圖2 瓦斯抽放量統計圖

從圖2 可知，從7 月1 日至9 月26 日157 回風石門1#、2#鉆場瓦斯抽采時間為88 d，抽采初期兩鉆場內抽采主管路瓦斯濃度均呈現迅速降低趨勢，至抽采45 d 時主管濃度下降至11%左右，瓦斯抽采量仍達到1137 m3/d，保持較高的抽采水平；至抽采75 d 時，瓦斯抽采量及抽采濃度下降幅度變緩；至抽采88 d 時，主管瓦斯濃度降至4%，瓦斯預抽基本結束。累計瓦斯抽采量為176 702 m3，瓦斯預抽率達58.2%，預抽區域煤層殘余瓦斯含量為3.730 2 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.152 MPa，達到《瓦斯預抽消突效果評價技術規范》（NB/T51006-2012）對殘余瓦斯含量8 m3/t（構造帶6 m3/t）、殘余瓦斯壓力0.74 MPa 的抽采瓦斯效果評判指標要求。

石門揭煤期間在158 運輸石門巷道正前方及其上、下、左、右各施工了1 個效果檢驗孔，經實測該揭煤區域殘余瓦斯含量最大值為4.198 9 m3/t，下降幅度為53%，殘余瓦斯壓力0.214 MPa，下降幅度為82%，消突效果達標。

3.2 效果分析

石門跨區段預抽揭煤區域瓦斯實現順層長鉆孔預抽范圍覆蓋158 運輸石門揭煤區域，使其煤層瓦斯含量及瓦斯壓力由8.929 8 m3/t、1.21 MPa 降至4.198 9 m3/t、0.214 MPa，消除石門揭煤突出危險性，與157 回風石門揭15#煤層相比，瓦斯預抽率提高13.2%，瓦斯預抽時間差異系數由27.4%降至11.2%。自與煤層法向距離10 m 至揭煤結束期間，掘進工程量30.6 m，施工時間14.5 d，縮短23 d，石門揭煤期間掘進速率提升61.3%。

4 總結

（1）石門跨區段預抽揭煤區域鉆孔利用率提高，同時消除多條石門揭煤突出危險性，且為后期相應聯絡巷道布置提供超前瓦斯治理，降低后續瓦斯治理難度。

（2）與施工穿層鉆孔作為區域防突措施相比，避免了工作面前方處于應力集中和高瓦斯狀態，充分利用瓦斯治理空間，減少對巷道施工進度的影響。

（3）采用高功率、大扭矩鉆機配合鉆孔測斜儀施工順層長距離鉆孔，是精準掌握跨區段預抽石門揭煤區域瓦斯的有效方法，保證了揭煤區域瓦斯治理效果。

（4）實施石門跨區段揭煤精準消突過程中，未詳細分析瓦斯徑向流動及鉆孔瓦斯流量衰減影響，導致揭煤區域煤層殘余瓦斯含量、瓦斯壓力與計算值偏差較大，該問題將作為后續研究重點。