長鉆孔跨區段預抽石門揭煤區域瓦斯治理技術

羅 飛，龍聲德

(貴州松河煤業發展有限責任公司， 貴州 六盤水 553000)

在煤炭開采過程中，突出煤層石門揭煤是比較危險的環節，若采取的綜合措施不到位，極有可能誘發煤與瓦斯突出。據統計，石門揭煤突出的平均強度為其他各類巷道平均煤與瓦斯突出強度的 6 倍以上，80%以上的千噸級及其以上特大型突出都發生在石門揭煤過程[1]. 因此，國內多學者對突出煤層石門揭煤防突技術進行了研究。曹佐勇、王恩元等[2]通過立體式、全覆蓋鉆孔布置方式,同時采用鉆孔全程下套管,“兩堵一注”水泥帶壓封孔瓦斯抽采技術,防止揭煤區域出現瓦斯抽采空白帶, 保障了石門揭煤安全。徐好哲[3]對馮營礦2415車場石門揭煤區域進行抽采，煤層瓦斯含量大幅降低，保證了安全揭煤。石門揭煤前預抽煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力、減小煤層瓦斯含量, 是目前最有效的消除揭煤期間煤層突出危險性的措施[4]. 針對松河煤礦石門揭煤區域瓦斯治理難題，提出采用長鉆孔跨區段預抽方法，以實現采掘活動區域內瓦斯防治及抽采達標，提高石門揭煤工作安全系數。

1 概 況

貴州松河煤業發展有限責任公司松河煤礦坐落于貴州省六盤水市盤州市雞場坪鎮松河鄉，井田走向長14.5 km，傾斜寬2.2 km，面積為32.6 km2，設計生產能力2.4 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井。2020年礦井絕對瓦斯涌出量115.73 m3/min,礦井相對瓦斯涌出量49.46 m3/t. 132區段兩條石門共需要揭煤13層，其中可采煤層為5層，均具有突出危險性。

131運輸石門，長950 m，標高+1 600 m，已于2012年掘進到位,形成全負壓通風系統，石門掘進過程中穿過了32#-1#煤層，平均每月掘進34 m. 132區段石門，標高+1 500 m，分為132運輸石門及132專用回風石門，兩條石門平距相差20 m，高差5 m，需揭穿煤層的瓦斯含量為7.2～18.39 m3/t. 132運輸斜巷從131運輸石門尾開口，沿3#煤層頂板施工至132區段石門標高。

2 瓦斯治理技術

利用可以施工穿層鉆孔達到200 m以上的大功率、大扭矩鉆機，從132運輸斜巷鉆場內施工瓦斯抽采鉆孔控制132區段石門揭煤范圍內的煤層。

2.1 預抽區段煤層瓦斯技術方案

1) 在132運輸斜巷合適位置按照間距40 m施工1個鉆場，鉆場中設計21—28個鉆孔，鉆孔終孔控制在石門輪廓線左右兩幫20 m. 2) 利用ZDY-4600LX型全液壓履帶式坑道鉆機施工鉆孔至132區段石門需要揭開的煤層區域，鉆孔d94 mm，配套鉆桿長750 mm. 3) 鉆孔施工完畢后，向孔內下入雙層套管(雙層套管外管用于瓦斯抽采，內管用于定期對鉆孔內的積水進行排放，保證鉆孔暢通)，雙層套管外管直徑50 mm，內管直徑25 mm，且在穿過煤層段的套管外管為篩管，其余套管均為實管。4) 采用囊袋配合速凝劑“兩堵一注+帶壓注漿”封孔工藝[2]，封孔長度不得小于20 m，機械封孔壓力不得小于4 MPa. 5) 鉆孔封孔完畢后，與抽采系統連接進行抽采，并連接壓風吹水裝置用于日常吹排水。封孔示意圖見圖1.

圖1 封孔示意圖

2.2 鉆孔設計

由《貴州松河煤業發展有限公司煤層瓦斯抽放半徑測定報告》可知，各可采煤層的抽采半徑為5～7 m，按抽采半徑5 m布置鉆孔。1#、2#、3#、5#鉆場在右側幫上均勻布置3排鉆孔，每排7個，間排距500 mm×500 mm；4#鉆場在右側幫上均勻布置4排鉆孔，每排7個，間排距500 mm×500 mm，平均終孔間距5 m. 鉆孔設計情況見表1.

表1 鉆孔設計情況表

在132運輸斜巷共設計5個鉆場，鉆場深4.5 m×寬5 m×高3.2 m. 共設計112個鉆孔控制132區段石門1#至13#煤層揭煤區域，控制巷道上下幫各15 m，巷道兩幫輪廓線外20 m范圍，總工程量14 642 m. 鉆孔設計見圖2.

2.3 鉆孔施工情況

2020年3月1日—2020年6月15日，按照設計共施工了5個鉆場149個鉆孔，其中補孔37個，總工程量17 960 m，總用時106 d，施工用時98 d[3]，圓班平均進尺183 m，5個鉆場所有鉆孔均按設計施工，鉆孔進尺超額完成3.2%. 抽采鉆孔施工對比見表2.

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯含量大幅度降低

由《貴州松河煤業發展有限責任公司采區防突專項設計》中各煤層不同標高含量預測結果表可知，采三區各煤層原始瓦斯含量最低7.20 m3/t，最高為18.39 m3/t,大部分煤層均具有突出危險性。當主管濃度小于10%時，實測132石門下區段范圍內各主要煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，抽采前后煤層瓦斯含量對比見表3. 由表3可知，長鉆孔跨區段預抽石門揭煤區域瓦斯治理技術的防突效果較好，降低煤層突出危險性系數。

圖2 132區段石門瓦斯治理鉆孔設計圖

表2 抽采鉆孔施工對比表

表3 各煤層瓦斯含量抽采前后對比結果表

3.2 瓦斯利用率提高

每個鉆場采用10英寸管作為支管連接至132運輸斜巷內的14英寸主管，每根支管上連接1個分流器，每個分流器連接3—4根4英寸分流管和1個自動放水器。從2020年6月15日鉆孔施工結束到2020年11月12日共計量抽采150天，每10天對抽采情況進行考察，同每個鉆場支管及主管上計量裝置計量相比，誤差不超過5%. 抽采過程中單孔孔口負壓13～19 kPa，單孔瓦斯濃度15%～60%,平均抽采濃度22.7%，總瓦斯抽采純量82.58萬m3，日均抽采純量55 053.3 m3，抽采純量達到4.83 m3/min，日均發電量12 113.64 kW·h. 瓦斯抽采總純量與抽采時間關系見圖3.

圖3 瓦斯抽采總純量與抽采時間關系圖

3.3 揭煤時間縮短

突出煤層石門揭煤常規方法是采用在距離煤層法向距7 m前停止工作面掘進，施工區域防突鉆孔對所揭煤層瓦斯進行預抽，經效果檢驗無突出危險后恢復掘進并揭煤。131運輸石門掘進總時間長達28個月，其中18個月的時間為施工鉆孔預抽瓦斯時間，瓦斯抽采時間占總周期的64%. 通過長鉆孔跨區段施工穿層鉆孔對揭煤區域煤層瓦斯進行抽采后，132石門掘進進尺140 m，揭煤6層，掘進用時2個月，平均每月進尺70 m，掘進速度和工效得到明顯提高。

4 長鉆孔跨區段預抽石門揭煤區域瓦斯治理優點

1) 區段預抽的長鉆孔可以在石門揭煤期間實現連續抽采，減少揭煤期間因應力變化等造成瓦斯向工作面涌出。

2) 有充足時間和空間來布置抽采鉆孔，有較長的時間對揭煤區域的瓦斯進行預抽，實現了對石門揭煤區域瓦斯超前治理。

3) 遠距離長鉆孔同時對多層煤層瓦斯進行預抽，提高鉆孔利用率及瓦斯抽采濃度，高濃度瓦斯可以用于瓦斯發電等，為礦井創造直接經濟利益。

4) 長鉆孔進入石門掘進前方的煤巖體內，促進了鉆孔周圍煤層的局部卸壓，鉆孔強化瓦斯抽采降低了煤體瓦斯內能和彈性潛能，減小煤體地應力，增強煤體強度，以有效消除煤層突出危險性。

5 結 語

通過實施跨區段長鉆孔對鄰近區段石門揭煤區域煤層瓦斯預抽后，煤層瓦斯含量大幅度下降，減少了在距離煤層7 m法向距前向煤層實施區域防突措施所需的鉆孔工程，縮短了煤層預抽瓦斯達標時間，為礦井準備巷道的形成及生產系統的布置贏得時間，對提高石門揭煤速度，降低石門揭煤危險性有著重大意義。