穿層定向長鉆孔預抽消突技術在雙柳煤礦的應用

石 軍

(汾西礦業集團 雙柳煤礦, 山西 柳林 033300)

目前國內突出礦井區域防突措施主要采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯[1]、順層長鉆孔預抽煤層瓦斯[2-4]或穿層短鉆孔預抽煤層瓦斯[5-6]. 穿層鉆孔工程量較大，與底板巖巷掘進相干擾，制約掘進進度，使采掘銜接緊張。順層鉆孔孔深較短，預抽面積小，達不到大面積消突，影響采掘作業。雙柳煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，現開采4#(3#+4#)煤層。隨著井田開拓區域向西部延伸,瓦斯含量日益增大，順層鉆孔預抽煤層瓦斯治理模式已經不能滿足當前工作面瓦斯治理的需求，嚴重影響礦井的采掘銜接。因此，結合該礦實際情況，引進千米定向鉆機，采用穿層定向長鉆孔預抽[7]對四采區4#(3#+4#)中厚煤層進行區域防突，以實現礦井安全高效生產。

1 基本概況

雙柳煤礦核定生產能力300萬 t/a，礦井采用斜井、立井混合開拓方式，布置有3個采區，分別為二采區、三采區和四采區，其中二三采區為生產區，四采區為準備區。四采區區內構造簡單，為一自東向西傾斜的單斜構造,可采煤層為4#(3#+4#)煤層，平均3.75 m，屬中厚煤層。

礦井具備完善、可靠的通風系統，生產采區均布置有專用回風巷。礦井共布置有5個井筒，采用“三進兩回”的通風方式，其中二采區布置有白家焉副立井、主斜井、回風井3個井筒，三采區布置有郭家山副立井、回風井兩個井筒。礦井采用的通風方式為主要通風機抽出式通風，通風方法為分區式。

礦井采用(郭家山)地面固定抽采泵進行瓦斯抽采工作，并實現了全礦井的高、低濃度瓦斯分源抽采。目前郭家山泵站抽采泵四臺型號為2BEC87，額定流量850 m3/min，抽采負壓30～50 kPa，電機功率1 000 kW，礦井抽采泵兩用兩備。目前井下抽采主管路使用一趟d720 mm抽放管路，一趟d820 mm抽放管路，工作面支管均使用d325 mm的瓦斯抽放管路。

2 四采區煤層瓦斯賦存情況

雙柳煤礦4#(3#+4#)煤層底板等高線+430 m及其以深區域屬突出危險區，三、四采區位于突出危險區。4#(3#+4#)煤層最大破壞類型為V類，瓦斯壓力最大值為2.4 MPa，瓦斯含量最大值為12.35 m3/t,瓦斯最大放散初速度為1.72 kPa，煤堅固性系數為0.52，煤層透氣系數為0.804 3 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.011 3～0.163 5 d-1，4#(3#+4#)煤層有煤與瓦斯突出危險性。準備區域煤層瓦斯壓力及含量見表1.

表1 四采區煤層瓦斯壓力及含量統計表

3 四采區巷道布置與區域消突方式選擇

四采區位于三采區西側，三采區3條大巷(膠帶巷、軌道上山、回風下山)向西直接延伸作為其采區巷道。其中，采區膠帶巷為巖石巷道，下山布置在4#(3#+4#)煤層底板巖層中，垂間距8～10 m，采區軌道巷和采區回風巷均為煤巷，沿4#(3#+4#)煤層布置。

使用底板巖巷穿層定向長鉆孔對四采區進行區域煤層預抽消突。采區膠帶巷作為四采區的底抽巷，先行掘進施工，再利用千米定向鉆機在膠帶巷向上施工穿層走向長鉆孔，對4#(3#+4#)煤層采區軌道巷和回風巷掘進條帶進行預抽消突，達到掩護掘進的目的。將采區軌道巷和回風巷再作為四采區的南北翼瓦斯治理巷道，利用千米定向鉆機對四采區兩翼開展大面積區域預抽。大巷位置及層位關系見圖1.

圖1 大巷位置及層位關系圖

1) 區域瓦斯治理底抽巷預抽。

膠帶巷每300 m布置1個鉆場，每個鉆場內布置7個鉆孔，終孔間距7.5 m，鉆孔控制南、北翼瓦斯治理巷左右兩側20 m. 通過在底板巖巷反復試驗施工定向長鉆孔可知，穿層定向長鉆孔主孔深度可以達到450～550 m,最深可達660 m，加上分支孔鉆孔總進尺可達到1 800 m左右。1鉆場定向長鉆孔施工情況見表2.

表2 定向長鉆孔施工情況表

穿層定向長鉆孔布置見圖2.

圖2 區域瓦斯治理底抽巷穿層定向長鉆孔布置平、剖圖

在同等抽采負壓條件下，統計對比鉆孔瓦斯濃度和抽采量。通過對井下鉆孔抽采效果考察，選取膠帶巷1號鉆場的穿層定向鉆孔抽采參數進行分析，得出不同深度的穿層定向鉆孔瓦斯抽采規律。穿層定向長鉆孔接入抽采系統后瓦斯濃度、抽采量變化曲線見圖3，圖4.

圖3 穿層定向長鉆孔接入抽采系統后瓦斯濃度變化曲線圖

由圖3,圖4可知，鉆孔長度為450 m 時，鉆孔瓦斯濃度一直保持在80%～90%，抽采量在0.20～0.30 m3/min；鉆孔深度為660 m時，鉆孔濃度和抽采量剛開始一個月較高，最后直線下降。可以看出，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔濃度、抽采量隨之變大，但與鉆孔深度不呈比例變化。鉆孔深度在430～450 m時，抽采特性變化較小且能維持一定時間，而鉆孔深度在560～600 m時，抽采變化較大。隨著鉆孔分支的增多以及主孔的加深，鉆孔施工時間明顯增加，效率降低；同時鉆孔施工以及成孔的難度不斷加大，導致成本增加。由于南、北翼瓦斯治理巷東高西低，鉆孔為下山鉆孔，鉆孔末端排渣困難，極易出現堵孔等現象。因此，四采區4#(3#+4#)煤層穿層定向長鉆孔深度在430～450 m時，抽采效果最佳。

2) 南北翼瓦斯治理巷預抽。

南、北翼瓦斯治理巷掘進到位后，沿巷道掘進方向每60 m布置1個鉆場，鉆場內布置8～9個鉆孔，孔深420～450 m，終孔間距7.5 m，對四采區進行區域消突。南、北翼瓦斯治理巷區域消突鉆孔布置示意圖見圖5.

南、北翼瓦斯治理巷經過6個月抽采，鉆孔平均抽采濃度52%，單孔平均抽采量0.213 m3/min，鉆場平均抽采量1.49 m3/min，累計抽采量5.52 萬m3，殘余瓦斯含量6.08 m3/t. 在工作面布置測點進行區域措施效果檢驗，測得南、北翼瓦斯治理巷最大殘余瓦斯含量為5.22 m3/t，小于臨界值，且施工過程中無頂鉆、噴孔及其他動力現象。工作面采用鉆屑指標法進行區域驗證，測得南、北翼瓦斯治理巷最大鉆屑瓦斯解吸指標為40 Pa，最小鉆屑瓦斯解吸指標為30 Pa，平均鉆屑瓦斯解吸指標為30 Pa；最大鉆屑量2.5 kg/m，最小鉆屑量1.8 kg/m，鉆屑量平均值2.0 kg/m，區域防突措施有效。同時巷道掘進過程中工作面瓦斯濃度最大0.30%，回風流瓦斯濃度最大0.38%，瓦斯對掘進基本無影響，巷道掘進速度明顯提高，表明實施穿層定向長鉆孔的區域防突措施后，取得了較好的防突效果。區域效檢殘余瓦斯含量、區域驗證鉆屑瓦斯解吸指標變化曲線見圖6，圖7.

圖7 區域驗證鉆屑瓦斯解析指標變化曲線圖

4 結 語

結合雙柳煤礦現場條件，實施了穿層定向長鉆孔，效果考察顯示，底板巖巷穿層定向長鉆孔區域防突措施可有效地避免邊掘邊抽時產生的相互干擾，提高掘進速度，有效解決采掘接替緊張和回采產量不足的問題，實現礦井采煤、掘進和抽采的平衡。底板巖巷既可以作為瓦斯治理巷道，也可作為礦井系統大巷，實現了“一巷多用”；在煤與瓦斯突出礦井采掘工程實踐中應用，保障了礦井安全高效生產。