屯兰煤矿超前排放钻孔有效排放半径的研究

高俊奇

（西山煤电屯兰矿通风区，山西 古交 030206）

屯兰矿为煤与瓦斯突出矿井，随着煤矿开采深度的增加，瓦斯压力、地应力也在增大，煤与瓦斯突出危险也就随之加大。在执行局部防突措施过程中，排放瓦斯钻孔间距极难确定，钻孔间排距过大，会形成瓦斯未能排放的空白区，则防突措施失效；钻孔间排距过密，增大了工程量，造成浪费，所以合理布置钻孔即确定排放钻孔的有效影响半径显得尤为重要[1-5]，对保障矿井安全生产具有十分重要的指导意义。

1 矿井概况

屯兰煤矿位于山西省西山煤田，是华北大型聚煤盆地的一部分，生产能力为500万t/a。屯兰矿已开采近30a，矿井现生产水平为+750m水平，井田南北长约10.6km，东西宽约9.9km，井田面积约73.3426km2。井田内可采煤层有太原组（下组煤）的02、03、2、4号煤层和山西组（上组煤）的6、7、8、9号煤层，井田划分为九个盘区，分别为北一、北二、北三、南一、南二、南三、南四、南五、南六、南七，现已开采盘区有北一、北三、南一、南二、南三、南四和南五盘区，现生产盘区共三个，为北三、南四和南五盘区。如图1所示。

图1 屯兰煤矿地质构造及煤层柱状图

2 有效排放半径测定方案

超前钻孔有效排放半径是防突措施的最基本和最重要的参数，超前钻孔有效影响半径是单个超前钻孔沿其半径方向能够消除突出危险的最大范围。该值不仅与突出危险性的大小有关，而且还与措施的作用时间有着密切关系，因为采取局部防突措施时，合理布置超前钻孔是提高措施安全可靠性施工参数的首要条件。根据《煤巷掘进工作面超前钻孔防突措施技术条件》（MT/T 957-2005），结合屯兰矿井下现场实际情况，选用钻孔流量法测定2#、4#、8#、9#煤层的超前排放钻孔有效排放半径。

2.1 测量原理

钻孔流量法基本原理是顺层孔施工后，钻孔周围形成非弹性变形带，出现煤层应力和瓦斯含量（压力）下降的特征。由于钻孔周围煤体应力减小、煤层透气性增加，煤层瓦斯自然排放，在钻孔周围出现自然排放瓦斯量上升，表明处在钻孔排放影响范围内。按照相关要求，一般连续三次测定瓦斯涌出量上升幅度达到10%的，表明处在钻孔排放（卸压）消除突出危险性的有效作用范围内。符合该要求的测量孔距排放钻孔的最远距离，即为超前钻孔的有效排放半径。

2.2 测定的方案

根据屯兰矿井下现场实际情况，2#煤层选定在北三盘区22301瓦斯治理巷4#点前2302m右帮、南五盘区12507皮带顺槽距切眼70m处左帮进行考察；4#煤层选定在南四盘区12412底抽巷D3#点前132m左帮、南五盘区12507底抽巷距末端100m处右帮、北三盘区北三胶带巷Y#点前116m左帮进行考察；8#煤层选定在南翼下组煤18402轨道顺槽18#点前100m左帮进行考察；南翼下组煤9#煤层选定在18405底抽巷D1点前240m左帮进行考察。具体位置如表1所示。

表1 各煤层测定点位置

为减小测量孔间距过近后因自身卸压效应对数据观测的影响，同时考虑到现场煤层具有明显的层理，采用两侧对称法布置钻孔。即排放孔设置在中间，两侧一定范围内分别布置测量孔，且各钻孔布置在同一层理中。其中，一侧测量孔按距排放孔1000mm、2000mm、3000mm布置，另一侧按间距500mm、1500mm、2500mm布置，编号按孔间距进行编号（距排放孔最近的为1#测量孔）。具体如图2所示。

图2 现场测量、排放钻孔布置示意图

施工必须严格按照设计钻孔参数进行，并保证抽采钻孔平直，孔形完整，钻孔深度达到要求，具体测定方法如下。

（1）测量孔施工及封孔。测量孔选用直径42mm钻孔，利用工作面防突预测钻具施工。每一钻孔深度6m，垂直煤壁，倾角与煤层倾角一致，封孔深度5m，预留最里端1m测量室。封孔材料采用聚氨酯，封孔套管选用长度为5200mm的4分钢管，孔口外露200mm以便连接测量装置。

（2）测量孔前期观测。每一测量孔密封后，立即测量钻孔瓦斯涌出量，并每隔5min测定1次。每一测量孔测定6次。

（3）施工排放钻孔。最后一个测量孔完成6次观测后，在预定位置施工排放钻孔。排放钻孔选用直径75mm钻孔，孔深7m，垂直煤壁，倾角与煤层倾角一致。施工过程中，记录钻孔长度、施工时间和各测量孔中的瓦斯涌出量变化。

（4）测量孔后期观测。排放钻孔施工完毕后，每隔5min测定一次各测量孔的瓦斯涌出量，各孔测量2h。

（5）测量仪器选择。选用测定抽采半径所用ZLD-2多级流量计，现场注意在孔口外露的封孔管上安接变头，便于连接ZLD-2多级流量计。

封孔时控制好聚氨酯的用量，避免堵塞测量室或造成测量室长度不足1m。在4分钢管4.2m处（由外向里）焊接一直径38mm左右的挡圈，降低聚氨酯膨胀挤占测量室空间的可能。每次测量钻孔瓦斯涌出量时，保持读数时间同步，如各孔均选择在连接流量计后第20s读数。

排放孔施工过程中各测量孔数据记录按每钻进1m测定一次进行。

测量过程中根据实际流量大小选择好流量计的测嘴，并随测记录测嘴系数，避免数据较多后混淆。

3 实验结果

2#、4#、8#、9#各考察煤层超前排放钻孔施工后，各考察钻孔瓦斯流量均有增加，如图3所示。

图3 各煤层超前排放钻孔施工前后考察钻孔瓦斯流量变化曲线

由上图可知，对于北三盘区2#煤层而言，距离超前排放钻孔1m的2#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了12.17%；对于南五盘区2#煤层而言，距离超前排放钻孔0.5m的1#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了15.42%；对于南四盘区4#煤层而言，距离超前排放钻孔1m的2#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了10.71%；对于南五盘区4#煤层而言，距离超前排放钻孔0.5m的1#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了21.86%；对于北三盘区4#煤层而言，距离超前排放钻孔1m的2#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了24.88%；对于南翼下组煤8#煤层而言，距离超前排放钻孔0.5m的1#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了14.03%；对于南翼下组煤9#煤层而言，距离超前排放钻孔0.5m的1#考察孔其钻孔瓦斯流量增加了13.09%。

4 结论

通过对屯兰矿各盘区2#、4#、8#、9#煤层超前排放钻孔有效排放半径的井下测定，屯兰矿北三盘区2#煤层超前排放钻孔的有效半径均为1m，南五盘区2#煤层超前排放钻孔的有效半径均为0.5m，南四盘区4#煤层超前排放钻孔的有效半径均为1m，南五盘区4#煤层超前排放钻孔的有效半径均为0.5m，北三盘区4#煤层超前排放钻孔的有效半径均为1m，南翼下组煤8#、9#煤层超前排放钻孔的有效半径均为0.5m，可作为突出危险工作面布置超前排放钻孔的设计依据。