復雜地質條件半煤巖巷掘進防突技術

徐立鵬，唐 勇，劉 軍

(1.陜西省渭南市白水縣煤炭局，陜西 渭南 714000；2.陜西陜煤韓城礦業公司下峪口煤礦，陜西 渭南 715400；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

煤層賦存條件一般呈復雜性和多樣性，災害治理難度大，尤其是煤與瓦斯突出事故時有發生，造成嚴重的人員傷亡和財產損失[13]，其中，實現突出煤層煤巷安全掘進是防突工作的重中之重[4]。目前，煤巷掘進防突普遍采用保護層開采、穿層鉆孔、順層鉆孔預抽，取得了顯著成效[57]。為了縮短災害治理周期、提高掘進安全性，眾多學者根據巷道條件，對防突新工藝進行了探索。王金寶[8]通過理論計算和殘存瓦斯含量考察相結合的方法確定沿空掘巷的有效保護范圍，在卸壓范圍內實現安全快速掘進。賈明魁等[9]通過定向長鉆孔超前預抽煤層瓦斯區域治理技術，實現對煤巷掘進范圍煤體的均勻控制，消除突出危險。牟全斌等[10]采用煤礦井下定向長鉆孔水力壓裂手段，在壓裂區域形成新的煤儲層裂隙網絡系統，有利于提高瓦斯抽采效果。下峪口煤礦2號煤層為薄煤層，瓦斯地質極為復雜，無保護層開采條件，前期采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，掘進速度慢，2號煤層作為強突3號煤層保護層開采，嚴重影響礦井采掘接續，為此，礦方根據2號煤層各巷道實際情況，嘗試不同的掘進防突方法，以期探索適合2號煤層復雜瓦斯地質的防突新工藝。

1 工程背景

下峪口煤礦隸屬陜西陜煤韓城礦業公司，為突出礦井，主采2號、3號煤層，以開采上覆2號煤層作為3號煤層保護層。礦井2號煤層為近水平煤層，平均煤厚1.0 m，2號煤層瓦斯含量總體隨開采深度增加而增大，但煤層瓦斯含量沿走向差異性較大，同一標高瓦斯含量差值可達7～8 m3/t，且不同區域煤層破壞類型差異大，存在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類破壞煤，瓦斯地質極為復雜。前期，2號煤層掘進采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區域防突措施，但2019年頒布的《防治煤與瓦斯突出細則》對礦井防突工作提出了新的要求，開采范圍內f<0.3的，或者f為0.3～0.5且埋深大于500 m的不能采用順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，下峪口煤礦二水平2號煤層大部分區域埋深已超過500 m，且f為0.2～0.4。因此，急需探索2號煤層半煤巖巷道掘進防突技術新方法。

2 防突技術探索研究

根據礦井采掘部署情況，近期需要掘進的巷道有23202運輸巷、23202切眼、22206進風巷、2-2采區輸送機巷，針對每條巷道的位置、煤巖賦存、巷道長度等情況，分別嘗試了巷道瓦斯預排等值寬度、定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、長鉆孔分段水力壓裂預抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯防突技術。

2.1 巷道預排瓦斯等值寬度

2.1.1 試驗情況

23202運輸巷設計長828.5 m，采用沿空掘巷方式掘進，23202運輸巷與21203采空區間凈煤柱僅6 m，21203工作面已于2008年12月回采完畢，位置關系如圖1所示。掘進前，在23202運輸巷通過測定煤層殘余瓦斯含量進行了采空區巷道預排瓦斯等值寬度考察和論證，考察結果為23202運輸巷前進方向左幫15 m范圍內已消除了煤與瓦斯突出的危險性，可以在巷道預排瓦斯等值寬度有效范圍內進行采掘活動。同時，為進一步驗證23202運輸巷卸壓及防突的有效性，對掘進工作面進行區域措施效果檢驗，每循環60 m，施工3個鉆孔取5個煤樣測定煤層殘余瓦斯含量。

圖1 23202運輸巷位置關系Fig.1 Location relationship of 23202 transport roadway

2.1.2 試驗效果

沿空掘巷時，卸壓區煤體被破壞，地應力降低，卸壓范圍內煤層透氣性增大，吸附的大量瓦斯被釋放，起到消除突出危險的作用[1112]。23202運輸巷利用21203采空區預排瓦斯等值寬度巷道長873 m，實施區域效果檢驗13次，效果檢驗最大值WCY=7.63 m3/t，實施連續區域驗證87次，Smax=4.6 kg/m，Δh2max=120 Pa，區域效果檢驗及區域驗證指標均不超標，全程實現安全掘進。

2.2 定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.2.1 試驗情況

23202工作面切眼設計為150 m×6 m(長×寬)，埋深為391.1～572.7 m。采用定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區域防突措施，設計5個主孔、5個分支孔，分支孔與主孔間距4 m，控制切眼兩幫輪廓線外一側15 m，另一側16.8 m，鉆孔深度145～166 m，定向長鉆孔設計如圖2所示。

圖2 定向長鉆孔設計示意Fig.2 Schematic diagram of directional long drilling design

實際施工時，由于煤層松軟，鉆孔無法在煤層中長距離鉆進，方案調整為：主孔在煤層頂板全巖中鉆進，每個主孔施工3～6個分支將全部煤體覆蓋，采取慢鉆進、多沖孔的方式施工；該區域共施工5個主孔，22個分支孔，總進尺2 358 m，煤孔進尺1 173 m，煤孔率49.75%。

2.2.2 試驗效果

23202切眼定向長鉆孔歷時41 d全部施工完畢，封孔聯抽63 d后，鉆孔控制區域應抽瓦斯量28 260 m3，實際抽采瓦斯量30 318 m3，抽采期間平均瓦斯濃度11.2%，平均瓦斯流量0.34 m3/t。區域效果檢驗最大殘余瓦斯含量7.20 m3/t。掘進過程，共進行了15次工作面突出危險性預測，Δh2max=110 Pa，Smax=4.6 kg/m，23202切眼實現安全掘進。

2.3 長鉆孔分段水力壓裂預抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.3.1 試驗情況

22206進風巷設計長1 320 m，在工作面迎頭設計一個壓裂孔，主孔長度500 m，主孔施工層位為2號煤層直接頂砂巖層、距2號煤層垂距小于5 m。鉆孔結構采用二開設計，一開鉆孔孔深60 m，直徑193 mm，成孔后下入φ127 mm套管，二開鉆孔直徑為98 mm。設計2個分支孔，分支點分別為120 m、300 m左右，分支孔深80 m左右。同時，設計主孔最終下扎并揭露2號煤層，一方面核實鉆孔軌跡距離2號煤層垂距，另一方面考慮下向孔一定程度上能促使巖屑沉入孔底，鉆孔設計平面如圖3所示。

圖3 22206進風巷壓裂鉆孔設計Fig.3 Fracturing drilling design of 22206 air inlet roadway

為保證水力壓裂效果，擬采用套管+封隔器封孔方式；拖動式分段水力壓裂技術工藝，初步設計水力壓裂段間距為20～30 m、封隔器卡距4～7 m，如圖4所示，壓裂段數不小于8段(具體情況視定向鉆探實施情況和水力壓裂現場施工情況適時調整)，水力壓裂液為清水。整體壓裂后進行封孔(封孔55 m)、聯管抽采，在抽放主管上安裝自動計量裝置結合人工監測，統計抽采瓦斯濃度、純量、濃度、溫度、負壓等參數。

圖4 壓裂段參數設計Fig.4 Parameter design of fracturing section

2.3.2 試驗效果

試驗共完成主孔496 m，2個分支孔166 m，共662 m，分支孔段為120～192 m(長度72 m)、303～397 m(長度94 m)。整個壓裂孔分8段壓裂、完成后鉆孔整體壓裂，共9段，累計注水量為767 m3，整體壓裂后進行封孔(封孔55 m)、聯管抽采。

水力壓裂完成后采用鉆孔瞬變電磁試驗探測了22206進風巷2號煤層頂板壓裂孔水力壓裂鉆孔斜深方向60～168 m區段。通過純異常提取成果發現，多處異常呈帶狀分布，且多處異常由孔臂發育至徑向35 m外，壓裂影響半徑超過35 m，在壓裂段中形成明顯裂縫，壓裂后異常分布情況如圖5所示。

圖5 壓裂后異常分布情況Fig.5 Abnormal distribution after fracturing

22206進順長鉆孔水力分段壓裂孔深496 m，孔口55 m未進行壓裂，設計壓裂的有效抽采范圍為鉆孔兩側各25 m，控制面積24 550 m2，試驗區域煤層厚度1 m(視密度1.35 t/m3)，原始瓦斯含量12.48 m3/t，控制區域瓦斯儲量41.43萬m3，瓦斯含量降低至6.0 m3/t，試驗區域至少需抽采21.5萬m3的瓦斯。根據礦井自動監測裝置顯示，鉆孔瓦斯抽采濃度為19.6%～51.6%、平均濃度為26.9%，平均抽采純量為0.7 m3/min，壓裂鉆孔瓦斯抽采監測數據曲線如圖6所示。經過3個月時間，水力壓裂鉆孔控制范圍已抽采瓦斯29.4萬m3，遠遠大于需抽瓦斯量21.5萬m3，滿足區域防突措施效果檢驗要求。

圖6 22206進順壓裂鉆孔瓦斯抽采監測數據曲線Fig.6 Monitoring data curve of gas emission in 22206 coaxial fracturing drilling

2.4 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.4.1 試驗情況

2-2采區輸送機巷為2-2采區系統巷，沿2號煤層掘進，與2-2采區回風巷平距15 m，垂距24 m，2-2采區回風巷已掘完成巷。在2-2采區回風巷內施工下向穿層鉆孔預抽2-2采區輸送機巷煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔控制煤巷兩側不少于15 m，孔徑94 mm，抽采半徑按3 m設計，三花布置，鉆孔平剖面如圖7所示。

圖7 2-2采區輸送機巷鉆孔布置示意Fig.7 Schematic diagram of drilling layout of conveyor roadway in 2-2 mining area

2.4.2 試驗效果

2-2采區輸送機巷200 m劃分為一個評判單元，經區域防突措施效果檢驗，指標不超標且無噴孔、頂鉆等動力現象。2-2采區輸送機巷采取穿層鉆孔區域已掘進665 m，共3個評判單元，區域防突措施效果檢驗最大值WCY=6.74 m3/t，區域驗證指標Δh2max=120 Pa，Smax=4.5 kg/m，實現安全掘進。

3 防突技術對比分析

礦井二水平2號煤層分別試驗了巷道瓦斯預排等值寬度、定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、長鉆孔分段水力壓裂預抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯防突工藝，除22206進風巷暫未掘進，其他3條巷道都實現了安全掘進。對4種不同防突工藝優缺點進行對比分析，見表1。

表1 防突工藝優缺點對比分析

4 結語

下峪口煤礦二水平2號煤層瓦斯地質復雜，多數地方不具備頂底板巖巷施工條件，在面臨采掘失調的情況下，針對各巷道具體條件積極嘗試不同掘進防突技術工藝，實現安全掘進，緩解了礦井采掘接續緊張局面。通過考察試驗，4種防突工藝均能消除煤與瓦斯突出危險性，并對比分析了不同防突工藝的優缺點，為后續2號煤層半煤巖巷掘進提供選擇依據。