松软、低透气及底板易变形煤层瓦斯治理实践

梁 谦

（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿二号井，山西 晋城 048000）

晋城矿区部分矿井15#煤层具有煤质松软、低透气、底板易变形等特点，为矿井瓦斯治理带来很大难度。一是巷道掘进期间松软煤层易片帮，片帮煤体瞬时涌出瓦斯，常出现瓦斯超限事故；二是施工抽采钻孔过程中，遇软煤出现的压钻及塌孔现象时有发生，且煤层低透气性造成抽放效果差；三是煤层的铝土质泥岩底板遇水易膨胀变形，构筑的永久密闭墙体常出现裂缝，导致密闭墙发生漏风及外涌瓦斯等隐患，严重制约矿井的安全生产。

针对晋城矿区15#煤层上述共性问题，晋城矿区寺河煤矿研究提出了瓦斯治理相应措施，取得良好效果。

1 15#煤层工程概况

寺河煤矿二号井隶属于晋煤集团，核定生产能力1.8Mt/a，主要开采9#、15#煤层，属于高瓦斯矿井。15号煤层位于太原组下部，煤厚1.97～3.84m，平均2.66m，全区可采。一般含夹石1～2层，局部3～4层，夹石厚度在0.60m以下，结构属较简单—复杂。煤层直接顶板为K2灰岩，厚度9m左右。伪顶为泥岩、砂质泥岩，偶为粉砂岩。底板以黑灰色泥岩、铝土质泥岩为主。煤层在局部地段存在煤质变松软现象，变松软厚度0.20～0.80m。原始瓦斯含量6.23～7.15m3/t，瓦斯压力0.25～0.42MPa，透气性系数为1.01～2.05m2/(MPa2•d)，平均 1.53m2/(MPa2•d)；钻孔瓦斯流量衰减系数为0.040～0.101d-1，平均0.071d-1，属较难抽放—可以抽放煤层。

2 15#煤层掘进巷道遇松软煤层瓦斯治理

为防止因软煤片帮出现的瓦斯超限事故，需从两方面着手解决，一方面是减少软煤层中瓦斯含量，另一方面是预防煤体片帮。

2.1 松软煤层施工瓦斯排放钻孔

掘进区域经过有效预抽后，在掘进巷道遇软煤期间，应补充施工瓦斯排放钻孔，减少软煤中瓦斯含量。

瓦斯排放钻孔的效果是否明显，取决于钻孔孔径和钻孔有效影响半径，钻孔直径越大，其有效影响半径越大，排放瓦斯能力越强。通常钻孔有效影响半径为钻孔直径的4～5倍，当钻孔孔径为75mm时，有效影响半径0.4～0.5m。钻孔施工长度一般为10m。

如图1示，矿井在生产实践过程中软煤层内瓦斯排放钻孔直径75mm，钻孔布置间排距0.4m，钻孔深度10m，排放时间不少于4h。钻孔使用锚杆钻车或手持式风动钻机进行施工，水排渣工艺。需要特别注意的是，15#煤层一般为Ⅱ类自燃煤层，采用风排渣工艺存在着火隐患。

图1 15#煤掘进面瓦斯排放孔布置示意图

2.2 强化支护预防煤体片帮措施

15#煤掘进面处于上覆3#、9#煤层实体煤柱的应力集中区域或邻近贯通点（距贯通点小于等于10m）时，掘进面松软煤层易片帮，应强化支护方式，预防煤体片帮。

采取缩小巷道支护排距，排距由1.4m/排缩小至1m/排；缩短巷道支护距离，顶、帮锚杆紧跟掘进面及时支护，即掘一排支一排，最大空顶距不超过1.6m，最小控顶距不超过0.6m。

3 15#煤层提高抽采钻孔成孔率及效果的措施

15#煤层采面主要采取顺层钻孔治理本煤层瓦斯，生产过程中，通过改进施钻工艺、钻具及封孔工艺，提高钻孔成孔率及抽采效果。

3.1 改进施钻工艺

（1）钻孔方向。施工顺层钻孔时宜施工上行钻孔，利于排渣。施工下行孔时，孔内钻屑排泄不畅，孔内容易积水，对成孔质量影响较大。

（2）钻机及钻具的选择。在软煤层内施工钻孔时，应选择转速快的钻机，选择螺旋钻杆或三棱钻杆，便于施钻煤粉顺利排出，能有效提升钻孔施工长度，减少压钻事故率。寺河煤矿二号井使用ZDY4000LP型液压钻机配套73mm×1.5m螺旋钻杆，在15#煤层回采面施工孔径94mm的本煤层顺层钻孔平均长度180m，抽采钻孔可覆盖回采面倾向长度。

（3）施钻工艺。使用钻孔二次套孔工艺，顺层钻孔施工到位后，重新对成孔后钻孔进行一次套孔施工，防止堵孔；使用清水施工顺层钻孔，杜绝使用施钻循环水，防止循环水中的固相颗粒在钻孔施工中结合煤渣堵塞钻孔；在应力集中区施工顺层钻孔时，推荐使用全孔段下筛孔管的护孔工艺。

3.2 改进封孔工艺

15#煤顺层钻孔使用“两堵一注”封孔工艺，如图2所示，使用Ф50mm封孔管，封孔深度8m，封孔段长度7m，其中囊袋注浆长度2m，囊袋间注浆长度5m，囊袋及囊袋间(二次注浆段)注浆压力均为1MPa。注浆材料使用高标号水泥、水玻璃、速凝剂及水，在一定的配比下，使封孔材料有一定的膨胀变形，保证封孔严密。

通过加长顺层钻孔封孔长度，有效提升了顺层钻孔孔口压力，孔口压力保持在15～17kPa。

图2 “两堵一注”封孔工艺示意图

3.3 抽采效果对比

寺河煤矿二号井151308采面和153301采面均位于15#煤层，倾向长度一致，均采用本煤层顺层钻孔抽采瓦斯。

未采取上述措施前，151308采面顺层钻孔平均长度100～130m，平均瓦斯抽采浓度5%～18%，平均瓦斯抽采纯量3.09m3/min，经过6个月抽放，抽放总量72.5万m3。

通过在153301采面改进施钻及封孔工艺后，153301采面顺层钻孔平均长度150m，平均瓦斯抽采浓度27%～33%，平均瓦斯抽采纯量6.83m3/min，经过6个月抽放，抽放总量181.8万m3。见下表1。

4 15#煤层易底臌区永久密闭施工方法

15#煤层易底臌区永久密闭施工方法：一是永久密闭底部墙体基础采用龙骨地梁结构；二是永久密闭墙体采用砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙。

表1 抽采效果对比

图3 抽采纯量对比曲线图

图4 抽采浓度对比柱状图

4.1 龙骨地梁结构

永久密闭墙体底部基础采用龙骨地梁结构，即钢龙骨浇注混凝土方式，如图5所示，具体为：

（1）底部掏槽：深度600mm，宽度1800mm，并接实帮。

（2）龙骨分为上下两层，采用工字钢结构，下层使用16#工字钢3根，每根长度4500mm，横排布置于沟槽内，排间距1100mm，上层使用16#工字钢3根，每根长度1500mm，竖排布置于下层工字钢上，排间距1500mm，上层与下层工字钢连接处，使用8#的铁丝4股进行十字交叉捆绑，确保下层与上层工字钢连接稳固。

（3）龙骨安装好后，在龙骨内浇注混凝土，浇注高度为400mm（高出龙骨100mm），混凝土比例水泥∶黄沙∶石子=1:2:4，混凝土要浇注严密实在。

4.2 耐爆型防火密闭墙

砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙如图6所示，具体为：

（1）墙体结构：砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙分为外墙、内墙和黄土夹层，内、外墙体厚度分别为500mm，两墙之间充填500mm厚被捣实的黄土夹层。

施工时，先砌内墙，内墙施工完毕后，一边施工外墙，一边充填黄土，黄土夹层要夯实。在密闭墙距顶板大于400mm时，要向下将黄土层捣实；在密闭墙距顶板小于400mm时，要向侧面将黄土层捣实。

（2）墙体留设管路：在墙体距顶板300mm处设置措施管，管径Φ108mm，外加堵头；在距底板2/3处设置观测孔管，管径Φ50mm，外加阀门；在距观测孔300mm处设置抽放管，管径Φ108mm，联入抽放系统；在距底板300mm处设置放水管，管径Φ50mm，外加阀门。

图5 永久密闭墙底部基础--龙骨地梁结构图

图6 砖墙-黄土-砖墙耐爆型防火密闭墙剖面图

4.3 应用效果

寺河煤矿二号井采取该构筑永久密闭方法对15#煤层6个回采面进行了封堵，所有密闭均坚固可靠，无漏风、漏瓦斯及火灾隐患发生，具有一定抗灾变、耐爆和隔爆的能力。

5 应用前景

通过对晋城矿区寺河煤矿二号井15#煤层瓦斯治理实践，总结提炼了一系列瓦斯治理措施，为晋城矿区其他矿井开采煤质松软、低透气、底板易变形的15#煤层提供了瓦斯治理方法和经验，具有一定借鉴价值。