底抽巷多用途技术研究及应用实践

荣红岩

摘要：结合古汉山矿煤层和瓦斯分布特点，进行底抽巷多用途的可行性技术研究，结合应用效果的分析结果，验证底抽巷多用途的可行性。

关键词：古汉山矿  底抽巷多用途技术  效果评价

1 项目背景

古汉山矿位于焦作煤田的东北部，夹持于古汉山断层和油坊蒋村断层之间，其基本构造轮廓为一向南东缓倾的单斜构造，地层产状大致走向为北东40°，倾角为12°～17°。井田内构造形式以断裂为主，局部出现小的褶曲，主要的断层为北东东或北东向，总体构造简单。

古汉山矿属于典型的“三高”矿井（即煤与瓦斯高突出危险性，高承压水、高地应力），复杂地质条件且不具有开采保护层条件，主要采取预抽煤层瓦斯区域防突措施。

2 底抽巷概况

2.1 巷道布置。古汉山矿水文地质类型属极复杂型，矿井24线以西水地质条件比较简单，地下水富水性较弱;26线以东水文地质条件比较复杂，地下水富水性较好。矿井主要充水含水层有L8、L2、O2灰岩含水层：L8灰岩水是二1煤层底板的直接充水水源，L8灰岩含水层岩溶裂隙较发育，连通性好，水压2.0～4.5MPa，距二1煤层底板20.68～50.33m，平均35.55m，其间由泥岩，砂质泥岩隔水层和坚硬的砂岩组成，层厚5.07～10.07m，平均8.30m。L2灰岩含水层，层厚5.90～21.62m，平均12.57m，岩溶裂隙发育不均，在断层附近，该层水与L8灰岩水力联系密切，易引起矿床突水淹井。O2灰岩含水层埋深300.76～788.60m，平均534.06m，由于该含水层水量丰富，水头压力高，在断层附近，该层水与L2、L8灰岩水发生水力联系，是导致矿井突水淹井的主要原因，严重危及矿井安全生产。综合考虑矿井水文地质环境及底抽巷瓦斯抽采钻孔不宜过长，抽采效果及底抽巷维护等因素，底抽巷一般布置在煤层底板下10m左右的岩层中。

在平面上底抽巷与工作面煤巷呈重叠或内错布置，内错煤巷距离在10m以内。由于底抽巷要为下一个工作面回采巷道服务，服务周期长，内错布置时，底抽巷两帮应力集中程度较低，与外错布置相比，应力峰值靠近帮表面，塑性区范围相对较小。内错布置底抽巷虽然经过一次采动影响，但此后长期处于低应力环境中，巷道整体比较容易维护。而外错布置底抽巷一直处于高应力环境，围岩变形量极大，对巷道维护极其不利。

2.2 底抽巷支护方式：为了保持巷道的稳定性，防止围岩垮落或变形过大，巷道掘进后需要及时进行支护。支护断面形式主要考虑围岩的地压大小和方向，巷道选用的支护材料和支护方式、巷道的用途和服务年限。根据该矿地质特征、施工巷道变形规律和经济性考虑，底抽巷采用锚网喷支护，断面为3.6m×3.3m（净宽×净高）直墙半圆拱形断面，净断面积10.5m2。

錨杆采用Ф20×2400mm高强度预应力锚杆。锚杆间排距700×700mm;锚固剂规格：Ф23×600mm，MSCK2360、MSZ2360型树脂锚固剂各一支（MSCK2360型置于孔底）。锚杆托盘为方形，规格：150×150mm，用厚度10mm钢板压制成弧形，配套标准螺母紧固，锚杆外露长度为10～40mm，锚固力不小于70kN，扭矩不小于200N·m;金属网：采用Ф6mm压痕钢筋网，网片规格：1500×800mm，网格规格：100×100mm，搭接长度不少于100mm，接口压在成排锚杆下，用锚杆托盘压牢，并每隔200mm使用双股12号铁丝拧绑至少三股，要连接牢固，连接点要均匀。喷射混凝土抗压强度不低于C20。巷道断面附图如下：

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3 底抽巷多用途的可行性技术研究

底板抽采巷位于煤层底板岩石中，巷道工程量大，掘进周期长，投入成本高，但有效服务周期短。若仅仅作为预抽煤层瓦斯使用，功能较为单一，不仅生产工作面准备时间长，瓦斯治理费用高，而且管理复杂。如何通过提高底抽巷道的利用效率来降低瓦斯抽采成本、提高瓦斯抽采效果是值得探讨的问题。

本着降低投入、节约成本原则，对底抽巷的布置方式和用途进行了充分的论证和分析，在尝试对底抽巷作为瓦斯抽采巷功能的基础上实现多种用途的可行性进行探讨及研究。提出了 “一巷多用”技术设想。对底抽巷“巷道如何支得住、留巷如何留得住？巷道如何复用？瓦斯抽采如何抽得出、最大化？”进行联合攻关，实现了“一巷多用涂”目标，并在古汉山矿进行了一些应用，取得了良好效果，实现了底抽巷最大价值化。

底抽巷在古汉山矿主要用途如下：①施工穿层钻孔用于采掘工作面防突和预抽、煤层注水、石门揭煤预抽。②利用底抽巷进行通风系统、运输系统等生产系统改造。③利用底抽巷对回采工作面底板注浆堵水加固改造、掘进工作面断层探测与超前加固;④采区边界上（下）山底抽巷道用于综采支架运输通道，煤巷切眼掘进;⑤回采工作面低洼积水处，经钻孔疏水后作为排水阵地，临时水仓等。⑥作为排矸阵地充填废弃底抽巷巷道。

4 应用情况及效果评价

4.1 区域防突措施设计。结合本矿井煤层赋存、瓦斯和巷道布置特点，原始应力煤层瓦斯采用底抽巷中实施穿层钻孔+高压水力冲孔增透+带压封孔+中深孔全工作面覆盖抽放技术进行瓦斯综合治理，对回采区段进行预抽，取得了良好效果。现以1602工作面底抽巷为例：

4.1.1 区域瓦斯治理措施的选择及控制范围：根据1602工作面的瓦斯地质资料，采用在1602底板抽采巷内施工穿层钻孔预抽1602运输巷煤巷条带及区段煤层瓦斯，待抽采达标后掘进16021运输巷。1602底抽巷抽采钻孔控制巷道下帮轮廓线外30m，上帮轮廓线外70m-83m。沿煤层倾向方向控制100m-113m，1602底板抽采巷控制范围原煤储量为86.67万t。

4.1.2 抽采技术参数选择。钻孔间距及钻孔布置方式的确定：根据河南理工大学在1603二号底板抽采巷测定的钻孔抽采时间在不小于半年时极限抽采影响半径为3.22m，因整个16采区瓦斯地质规律相似，故1602底抽巷穿层抽采钻孔瓦斯抽采影响半径按照3.0m取值进行设计。设计在1602底抽巷巷道内施工穿层钻孔掩护16021运输巷，因巷道断面规格以及巷道距煤层底板最小法线距离不同，故将该设计分为三段：统尺0-480m为AB段，每组17个钻孔，分两列布置，奇数列9个，偶数列8个;统尺481-720m为BC段，每组16个钻孔，分两列布置，每列8个;统尺721-1020m为CD段，每组16个钻孔，分两列布置，每列8个;每组钻孔组间距均为6m，列间距3m。

4.1.3钻孔工程量计算。根据公式：

L=■×100%

其中：L——煤段钻孔总长，m;Nc——抽出瓦斯量，m3;t——工作面预抽期，min;q0——百米钻孔瓦斯流量，取0.05m3/min·hm。

经计算需要的煤段钻孔工程量为26710m，设计时应结合工作面的实际情况合理布置钻孔。

根据钻孔布置方式，计算1602底抽巷抽采钻孔2947个，钻孔总长度97833m。其中岩孔段长度67949m，煤段长29884m。

4.1.4 钻孔施工组织。2013年9月15日起，在1602底抽巷5部钻机同时运转，日进330m（22m/班/钻），月进9900m，预计2014年5月施工结束。

抽采管路的选择及铺设

4.1.5 抽采管路选择。根据AQ1027-2006《煤矿瓦斯抽采规范》，按下述公式计算工作面瓦斯抽采管直径：

R=0.1457■

其中：R——瓦斯管内径，m;Q——管路内的混合瓦斯流量，m3/min;V——经济流速（m/s），取10m/s。

根据古汉山矿16采区煤层瓦斯含量大、气源丰富的特点，管路内抽采瓦斯浓度按45%预计，则混合流量按以下公式计算：

Qh=■

Q=Qh/0.45

其中：Qh——管路内的瓦斯纯流量，m3/min。

1602底板抽采巷共设计瓦斯抽采钻孔2947个，设计煤段孔深29884m，钻孔瓦斯流量0.05m3/min·hm，计算该巷道纯流量9.06m3/min，混合流量15.34m3/min，抽采瓦斯管径不小于214mm，根据《焦煤集团瓦斯抽采管理技术标准》规定，采掘工作面瓦斯抽采管路直径不小于300mm。根据抽采管路的選型必须满足防腐蚀、阻燃、抗静电的要求，因此该抽采巷瓦斯抽采支管路选用内径300mm的复合钢管。

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图1  抽采管路铺设及钻孔布置示意图

4.1.6 抽采计量。1602底抽巷配备有瓦斯抽采监控系统实时监控管网瓦斯浓度、压力和流量等参数，监控系统为KJ-370在线监测系统。1602底抽巷抽采管路入口设置计量点，实施在线监测和标准孔板双计量，安装孔板地点设旁通管并设截门，孔板测定周期为7天;支管路每80～100m安设导流管，采用便携式瓦斯抽采参数测定仪测定瓦斯浓度、负压、流量、温度参数，测定周期为7天;抽采孔单孔应设置观察孔，并加截门，只测定瓦斯浓度、负压，测定周期为15天，若遇特殊情况，可增加观察次数。

4.1.7 瓦斯抽采工艺设计

①抽采设备设施：西风井大泵服务于该巷道穿层抽采，西翼井下抽采泵站服务于该巷道穿层钻孔施工过程中的分源抽采，其中西风井至1602底板抽采巷管路内径为450mm，总长度1500m;西翼井下抽采泵站分源抽采管路内径为250mm，总长度600m。

西风井安装有2台2BEC-60服务于该巷道穿层抽采，该泵抽采能力为300m3/min，并安装有KJ-91A型管道瓦斯监控系统两套。西翼井下抽采泵站型号为2BEC-42，抽采能力为120m3/min。

②钻孔布置。2012年以来，该矿坚持采取底板岩巷穿层抽采的区域瓦斯治理措施。为发挥底板抽采巷最大的抽采效益，减少底抽巷的巷道工程量，采取在16采区施工的底抽巷进行中深穿层钻孔覆盖全工作面作业。通过在1602、1603工作面（切眼长140m）上、下底抽巷试验小倾角穿层钻孔覆盖的试用，采取“高压水力冲孔、带压封孔技术、钻孔测斜、全长下筛管”等措施，有效解决了中深孔不易排碴、深部塌孔等技术难题。提高了煤层透气性和瓦斯抽采速度，通过不断实验改进了水力冲孔的工艺流程及主要设备情况并结合古汉山矿的实际条件，确定了水力冲孔的成熟的配套技术措施，实施水力冲孔技术措施后，最高单孔冲出煤量20t，消除了激发突出的应力，煤层的透气性增强，大幅度缩短了抽采达标时间，有效解决了构造煤和瓦斯对工作面回采过程中的影响。

4.2 16轨道下山石门揭煤。按照区域瓦斯治理三年规划目标，该矿在16采区施工了一条底板下山，利用底板巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯进行消突治理，采取了水力冲孔和带压封孔技术，有效提高了该地区的瓦斯抽采效果，揭煤爆破作业后，T1瓦斯浓度最大仅0.32%，创造了该矿高突地区揭煤爆破后绝对瓦斯涌出量新低。

古汉山矿16轨道下山揭煤成功，确保安全条件下尽快形成了16采区生产系统。该采区煤炭地质储量丰富，其中可采储量为826.5万吨，揭煤成功使采区生产系统进一步得到优化，为通风、排水系统的形成奠定了基础。

4.3 通风系统改造。通过底抽巷在16采区临时通风系统改造，使16采区形成“一进二回”临时通风系统，并构成了1602底抽巷、1603（1）底抽巷、1603（2）等底抽巷各自独立的回风系统，改变了16采区只能一个有掘进工作面作业的局面，实现了多条底抽巷同时作业，为16采区轨道下山揭煤贯通最终形成正规生产系统赢得了时间。目前1602底抽巷已竣工正在穿层抽采作业;16轨道下山已贯通，极大地缓解了14、16采区之间紧张的生产接替局面，为该矿实现良性发展打下了坚实基础。

4.4 运输系统改造。通过16采区设计优化，新增加一条底板岩巷做为16皮带下山，避免了原主煤流系统巷道布置在煤层中，造成巷道前掘后修，多次支护，反复修理多次投入，巷道面貌较差现象，也避免了采区生产期间巷道破坏变形，进行巷修时影响采区正常生产现象。把原16皮带下山（煤巷）改为措施巷，作为措施巷服务年限及要求断面规格较低，可减少维修投入，少投入36U钢棚维修巷道500m，经济效益显著。优化后的16皮带下山掘进巷道，从巷道成型情况来看，成型质量好，效果佳，巷道断面参数达到设计标准。通过对竣工巷道数月间的变形量观测，变形极小，工程质量得到了很好的验证，保证了生产安全，延长了巷道服务年限，能够满足采区生产要求。

5 结束语

目前国内经济增长进一步放缓。受经济增长放缓、煤炭产能过剩等多种因素影响，煤炭需求整体疲软。煤炭行业发展形势难言乐观。面对严峻的经济形势，利用底抽巷一巷多用技术，打破常规，勇于创新，来提高企业经济效益和保持稳定的基础。而底板抽采巷多种用途的可行性，对推动煤炭生产的高产高效，降低瓦斯治理成本，提高单产单进水平有显著的推进作用，为以后底板抽采巷的设计、施工提供了参考依据，拓宽了思路。

参考文献：

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