曙光煤矿底抽巷穿层钻孔消突技术研究与应用

曹兔科

(山西省孝义市应急管理局，山西 孝义 032300)

1 工程概况

汾西矿业集团公司曙光煤矿位于山西省中部孝义市，目前主采2号煤层，煤层平均厚度2.78 m，煤层倾角最大5°，最小1°，平均倾角3°，可采性指数为1，为稳定煤层，属井田内主要可采煤层。矿井设计生产能力90万t/a。1232工作面地表标高在+927～+1 054 m之间，相对高差127 m，对应地表位置大部分为第三、第四系黄土覆盖，沟谷发育；工作面标高在+442～+504 m之间，平均埋深约550 m。矿井瓦斯绝对涌出量为112.45 m3/min，相对涌出量为36.2 m3/t，是煤与瓦斯突出矿井。正在准备的1232工作面共布置两条回采巷道，分别为运输巷、轨道巷，布置在2号煤层中，沿煤层顶板掘进。煤巷掘进期间施工卸压孔时喷瓦斯现象时有发生，导致施工工期长，效率低下，为确保1232工作面两条回采巷道掘进期间的安全，在工作面下部的泥岩岩层中布置底抽巷，底抽巷与2号煤层底板垂直距离为8～10 m，与1232运输巷水平距离为20 m，采用在底抽巷内布置穿层钻孔预抽巷道掘进区域瓦斯，以确保掘巷期间的施工安全。

2 穿层钻孔抽采瓦斯有效抽采半径分析

2.1 穿层钻孔抽采半径理论分析

在1232工作面设计采用穿层钻孔进行瓦斯预抽的区域，首先施工瓦斯抽采实验钻孔，封孔完成后并入抽采瓦斯管路进行瓦斯抽采，采用流量计记录抽采瓦斯浓度随抽采时间的变化，通过回归分析得到抽采钻孔的瓦斯流量衰减系数及百米穿层钻孔初始瓦斯流量，计算得到钻孔的有效抽采半径，回归分析公式为：

q(t)=q0×e-βt

(1)

(2)

式中：q(t)为抽采时间为t时钻孔内瓦斯流量，m3/min；q0为开始抽采时钻孔内瓦斯流量，m3/min；β为流量衰减系数，d-1；t为抽采时间，d。

穿层钻孔有效抽采半径R计算公式为[1]：

(3)

式中：ρ为煤层的平均密度，t/m3；η为瓦斯抽采率，%；W为煤层中原始瓦斯含量，m3/t。

根据流量计记录数据，瓦斯抽采实验钻孔封孔抽采180 d后，瓦斯流量由7.56 m3/min衰减到1.56 m3/min，由式(2)计算得到β=0.008 8 d-1，2号煤密度为1.35 t/m3，瓦斯初始含量W=36.2 m3/t，欲通过穿层钻孔降至8 m3/t以下，煤层瓦斯抽采率η=77.9%，将以上参数代入式(3)可得，穿层钻孔抽采180 d有效抽采半径为2.91 m。

2.2 穿层钻孔布置参数分析

每个穿层钻孔在煤层中形成的有效抽采区域近似为一个圆，为取得良好的消突效果，要求穿层钻孔的有效抽采区域覆盖整个预抽采区域，钻孔间的直线距离为其有效抽采半径的2倍时，钻孔无论怎样布置，均不可避免地使煤层中存在一定面积的抽采盲区，因此为达到对整个区域进行有效的抽采目的，首先进行钻孔布置间距的优化分析。抽采钻孔采用三角形布置均需要重叠一部分区域，才能消除钻孔间的抽采盲区，若要将3个钻孔间的抽采盲区覆盖，3个钻孔的布置示意如图1所示。

图1 穿层钻孔水平间距优化分析示意

3 底板穿层钻孔布置参数设计

根据煤与瓦斯突出矿井煤巷掘进《防突规定》，煤巷掘进前对巷道掘进区域进行穿层钻孔预抽瓦斯消突时，穿层钻孔有效抽采区域应覆盖巷道两帮轮廓线以外至少15 m[2]，穿层钻孔沿巷道宽度方向的个数计算公式为[3]：

(4)

式中：B为巷道掘进宽度，m；R为穿层钻孔的抽采半径，m。

沿巷道掘进方向钻孔的数量计算公式为：

(5)

式中：L为煤巷掘进长度，m。

曙光煤矿1232运输巷宽度为5.0 m，总长度为1 565 m，穿层钻孔有效抽采半径为2.91 m，计算可得，沿巷道宽度方向穿层钻孔数量NW=8.32个，因此设计煤巷宽度方向布置10个穿层钻孔，钻孔间距离为5.0 m；沿巷道长度方向需布置钻孔数量Nt=310个。综上可知，共需3 100个穿层钻孔，平面布置形式如图2所示。

图2 穿层钻孔平面布置示意

4 底抽巷穿层钻孔现场应用

在1232底抽巷左帮向1232运输巷掘进区域施工穿层钻孔，每组10个钻孔，1～10号穿层钻孔的布置参数见表1，钻孔终孔处间距为5 m，钻孔开孔处水平距离为0.5 m，钻孔开孔处距底板2 m，钻孔直径为94 mm，共设计3 100个钻孔，钻孔有效抽采范围覆盖1232运输巷轮廓线两侧各20 m。设计穿层钻孔施工后平面布置如图3所示。

表1 穿层预抽钻孔参数

图3 1232运输巷穿层钻孔布置平面

1232底抽巷内穿层钻孔施工采用ZYG-4000L型钻机，每施工完一个钻孔后，立即进行封孔，封孔采用“两堵一注”囊袋带压注浆式封孔器，封孔长度不小于5 m，封孔前应将孔内积水、岩屑清理干净，封孔完接入抽采系统。单孔孔口安设导流管，使用瓦斯综合参数测定仪测定单孔负压、流量、浓度等参数。1232底抽巷内瓦斯抽采支管内径为300 mm，总长度约1 550 m，抽采负压为20 kPa，抽采时间不少于180 d。1232运输巷掘进区域瓦斯预抽路线：1232底抽巷帮部穿层钻孔—底抽巷抽采支管(内径300 mm)—二采区回风上山抽采管路(直径700 mm)—回风大巷—管道立眼—地面永久抽采泵站。

5 防突效果分析

1232运输巷掘进期间采用钻屑法鉴定围岩的突出危险性，巷道掘进期间，在掘进工作面迎头处向前施工探测孔，探测孔布置如图4所示，测试钻孔施工过程中的钻屑量S和瓦斯解吸指标K1，根据《防突规定》，当S值小于6 kg/m且K1值小于0.5 mL/(g·min1/2)时[4]，表明该区域煤层无煤与瓦斯突出的危险。1232运输掘进期间测得的S值和K1值随着进尺的变化趋势如图5所示。

图4 探测孔布置示意

由图5可以看出，煤层内瓦斯解吸指标最大值为0.46 mL/(g·min1/2)，始终小于参考临界值0.5 mL/(g·min1/2)，煤层内钻屑量S值最大为1.9 kg/m，远小于6 kg/m，S值和K1值均小于规定的临界值，探测孔施工期间未出现喷孔等现象。综上可知，通过穿层钻孔预抽后，成功消除了煤巷掘进期间瓦斯突出的危险。

6 结 语

对于煤与瓦斯突出矿井，必须采取区域消突和局部防突措施，以保证工作面的安全生产，曙光煤矿煤巷掘进期间采用底抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术进行区域消突，取得了良好的效果，值得借鉴。

图5 煤层内S值和K1值随进尺的变化规律