底抽巷穿層鉆孔抽采參數(shù)優(yōu)化

陳曉波

（山西晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)，山西 長治 046000）

底抽巷瓦斯抽放鉆孔施工一直是困擾我國坑道鉆探技術發(fā)展的難題。目前國內大多數(shù)煤礦以水作為鉆孔循環(huán)介質進行松軟煤層抽采鉆孔施工，但由于煤層松軟，水流對孔壁的沖刷和浸泡導致孔壁坍塌、掉塊，嚴重時導致鉆桿卡死，孔底水壓升高，形成憋泵現(xiàn)象，發(fā)生鉆孔事故[1]。因此，非常有必要對底抽巷層位選擇研究、底板穿層鉆孔抽采瓦斯技術的改進和完善，穿層鉆孔鉆機選配，提高底板穿層鉆孔鉆進效率和成孔率及鉆進安全性，以滿足礦方安全高效掘進和回采需要。

1 現(xiàn)場概況及存在問題

趙莊礦為晉能控股集團下屬主力礦井，主采3號煤層，由于煤層瓦斯含量高，煤層松軟，透氣性差，采用順煤層鉆孔解決采掘工作面瓦斯存在抽采距離短、抽采效果差等問題。為此，趙莊礦在1307、1308工作面嘗試采用底抽巷穿層鉆孔抽采煤巷條帶和回采區(qū)域瓦斯，但是在底抽巷穿層鉆孔布孔設計及鉆孔施工過程中仍存在一些問題：一是底抽巷的頂板布置在3 號煤層底板以下6～7 m 左右，施工鉆孔存在不便，需要對層位布置進一步的優(yōu)選；二是穿層鉆孔間距和有效半徑不清，需要試驗進一步確定。

2 技術方案

在結合生產(chǎn)實際，對底抽巷合理層位選取的基礎上，項目通過穿層孔布孔設計優(yōu)化，避免穿層孔瓦斯抽采盲區(qū)，確保上部工作面煤巷掘進安全；通過潛孔錘沖擊回轉鉆進、高強度復合片鉆頭回轉鉆進工藝、配套鉆具選型、高效成孔技術措施制訂等，提高硬巖鉆進效率和軟煤鉆進成孔率。

2.1 底抽巷層位選擇

底抽巷布置層位選擇主要是對現(xiàn)有的底抽巷位置進行調整，以解決目前底抽巷存在的遇到斷層等構造容易誤揭煤層、巷道頂板差支護難、穿層鉆孔串孔及抽采鉆孔能夠覆蓋范圍小等問題。根據(jù)趙莊礦煤層綜合地質柱狀圖，可以看出3 號煤層下距K7 砂巖0.00～12.80 m，平均7.20 m，層位穩(wěn)定。K7 砂巖下部有一層砂質泥巖0.00～6.14 m，平均2.38 m，砂質泥巖局部相變?yōu)榉凵皫r，砂質泥巖下部為K6 石灰?guī)r0.13～6.70 m，平均2.42 m，層位穩(wěn)定，巖石硬度較大。通過地質構造巖層分布分析，將底抽巷層位布置在3 號煤層下方7～9 m 處比較合適。

2.2 抽采有效影響半徑測定

本次3 號煤層瓦斯抽采半徑考察地點選擇在一盤區(qū)工作面原始煤體內，在原始煤體內布置抽采鉆孔，試驗段內無構造且巷幫平整無破碎。鉆孔布置如圖1。

圖1 抽采鉆孔布置示意圖

試驗鉆孔直徑為Φ114 mm，鉆孔深度100 m，鉆孔布置間距為3 m、4 m、5 m 及6 m。其中，鉆孔間距為3 m 的考察鉆孔布置5 個，鉆孔間距為4 m 的考察鉆孔布置5 個，鉆孔間距為5 m 的考察鉆孔布置5個，鉆孔間距為6 m 的考察鉆孔布置5 個。鉆孔抽采管采用PVC 管，連接到抽采支管上，安裝孔板（或其他瓦斯抽采多參數(shù)計量裝置）分別記錄單孔的瓦斯抽采參數(shù)。在施工抽采鉆孔過程中采用直接法測定煤層瓦斯含量，即井下直接取煤樣通過計算得出煤層的瓦斯含量。煤層瓦斯含量的測定儀器為重慶研究院生產(chǎn)的DGC 瓦斯含量直接測定裝置[2]。瓦斯含量測定結果記錄如表1 所示。

表1 抽采半徑考察鉆孔竣工參數(shù)及瓦斯含量測定結果表

2.3 穿層鉆孔優(yōu)化布置

穿層鉆孔的預抽時間為6 個月左右，根據(jù)鉆孔預抽160 d 的有效抽采半徑為3 m。掩護順槽底抽巷穿層鉆孔優(yōu)化布置為：每組間距為6 m，每組14 個鉆孔分兩列布置，列間距3.0 m，具體布置如圖2、圖3 所示。

圖2 掩護順槽底抽巷穿層鉆孔設計俯視圖

圖3 掩護順槽底抽巷穿層鉆孔設計剖面圖

3 試驗效果考察

3.1 不同鉆孔間距效果

為有效驗證瓦斯抽采效果，在原始煤體中施工數(shù)組不同間距的瓦斯抽采鉆孔，并對與現(xiàn)場施工的抽采鉆孔周邊瓦斯環(huán)境最接近的中間部分鉆孔的瓦斯相關參數(shù)進行考察。結果如圖4 所示。

圖4

從不同鉆孔間距的瓦斯流量與時間關系可以看出：不同間距抽采鉆孔瓦斯流量都隨著抽采時間的增加而成負指數(shù)關系衰減，抽采時間越長，瓦斯抽采流量越小；抽采鉆孔間距越小，瓦斯抽采流量衰減系數(shù)越大，說明在相同面積煤體、相同抽采時間、相同原始煤層瓦斯含量條件下，鉆孔間距越小，抽采后瓦斯含量降的越快。

3.2 有效抽采半徑效果考察

根據(jù)分析得到不同間距鉆孔瓦斯預抽率與時間函數(shù)關系式和煤層抽采達標時瓦斯預抽率η 大于49.33%[3]，即工作面瓦斯預抽率必須能夠達到目標值49.33%時才能抽采達標。綜上所述得出鉆孔的抽采半徑，在原始瓦斯含量為11.12 m3/t 的條件下，礦井工作面預抽90 d 的合理鉆孔間距為3 m，有效抽采半徑1.5 m；預抽100 d 的合理鉆孔間距為4 m，有效抽采半徑為2 m；預抽120 d 的合理鉆孔間距為5 m，有效抽采半徑為2.5 m；預抽160 d 的合理鉆孔間距為6 m，有效抽采半徑為3 m。

4 結論

通過對底抽巷層位以及鉆孔布置的研究，得出以下結論：

1）趙莊礦底抽巷層位布置在3 號煤層下方7～9 m處比較合適；

2）通過試驗測定得出鉆孔的抽采半徑，工作面預抽90 d 的合理鉆孔間距為3 m，有效抽采半徑1.5 m。預抽100 d 的合理鉆孔間距為4 m，有效抽采半徑為2 m；預抽120 d 的合理鉆孔間距為5 m，有效抽采半徑為2.5 m；預抽160 d 的合理鉆孔間距為6 m，有效抽采半徑為3 m。