极近距离煤层群巷道瓦斯综合治理技术

王家传

(山西省中阳荣欣焦化有限公司， 山西 吕梁 033000)

山西省中阳荣欣焦化有限公司高家庄煤矿位于山西离柳矿区南部，目前主采上组煤层2#、3#、4#煤层均属薄及中厚煤层，煤层总厚4.26 m，各煤层间距较近，部分区域煤层间距小于5 m，属于极近距离煤层群。目前矿井正在回采一、二盘区的3#煤层。井下布置运输大巷、回风大巷、轨道大巷等3条开拓大巷，分别布置在2#、3#、4#煤层中，各巷道均沿煤层顶板施工。2#煤层赋存于山西组中部，煤层层位稳定，厚度为0.20～2.42 m，平均为1.24 m. 3#煤层位于山西组2#煤层之下2.17～25.88 m，平均间距为9.61 m，煤层厚度为0～1.70 m，平均为1.04 m. 4#煤层赋存于山西组中下部，上距3#煤层为3.37～26.50 m，平均间距为7.14 m，煤层层位稳定，厚度为0.10～1.89 m，平均为1.15 m. 2#、3#、4#煤层瓦斯含量8.64～11.59 m3/t，瓦斯压力0.2～0.48 MPa，煤层坚固性系数f=0.51，瓦斯放散初速度ΔP=7.10，透气性系数为0.647 9 MPa2·d，钻孔流量衰减系数为0.028 d-1，瓦斯抽采难易程度为中等可采。

1 极近距离煤层巷道群瓦斯治理难点

1) 无法采用底板巷穿层钻孔消突。

底板巷一般选择在煤层下法距大于7 m稳定岩层。因为极近距离煤层群煤层间距小，底板巷没有合适岩层层位。

2) 普通旋转钻机施工困难。

采用顺层钻孔煤巷条带预抽防突措施效率低，安全可靠性差。对于小于1.5 m的煤层，采用普通旋转钻机施工，钻孔容易钻底或钻顶，施工超过80 m钻孔困难，容易形成打钻抽采空白带[1]. 一个循环移运钻机和施工钻孔约需一周，抽采按规定至少需要20天，效果检验及抽采达标评判需要3天，共有一月为了打钻抽采而不能掘进；抽采达标后，一个循环也仅能掘进40 m，严重制约了掘进进度，且不能连续掘进。

3) 瓦斯治理钻孔工程量大。

除需要对本煤层消突外，根据《防治煤与瓦斯防突细则》[2]二十九条要求，在煤层法向距小于5 m区域作业，必须对煤层同时采取瓦斯抽采措施。因此，近距离煤层上下相近小于5 m施工钻孔，钻孔工程量成倍增加。

4) 石门揭煤多、防突管理难度大。

根据巷道布置，在东翼3条巷道中间需要施工联络巷，多煤层反复揭煤穿煤，工序复杂，防突管理难度大。

5) 单一煤层治理难以控制瓦斯浓度。

根据对矿井瓦斯来源的分析，开采层瓦斯涌出约占整个回采工作面瓦斯涌出的44%，邻近层瓦斯涌出约占整个回采工作面瓦斯涌出的56%. 由此可见，在本煤层治理瓦斯，必须兼顾邻近层的瓦斯治理[3].

2 极近距离煤层群巷道瓦斯治理技术

定向钻进和普通钻进相结合，实现钻孔控制范围全覆盖，消除瓦斯治理空白带；利用定向钻机的造斜功能和轨迹测量功能，实现定向长钻孔“一孔多用”和 “层位控制”等；研发设计全密封防喷系统，确保打钻安全；实现分源抽采和分单元计量，满足抽采达标评判需要；加大配风量，提高通风设施和通风装备可靠性，确保瓦斯不超限，不突出。

2.1 定向钻孔

1) 定向钻孔设计。

定向钻进具有钻进距离长、轨迹明确可控、总工程量小、抽采效果好等优点[4]. 利用ZYL-6000D型煤矿用履带式全液压定向钻机施工，该型号钻机体积小，性能稳定，操作方便。在煤层底板的稳定层中施工主孔，然后施工分支孔，再通过支孔进入煤层。对于开孔封孔的严密性要进行严格把关，并且结合注浆带压的方法。如果出现跑浆漏液的现象，必须要重新处理。

东轨大巷3#煤层共布置9个钻孔(1#—7#钻孔控制东轨大巷条带，8#、9#钻孔及其分支孔控制东回大巷下邻近层、集中轨道联络巷、集中轨道联络巷上部平车场等辅助巷道所在区域)，其中迎头布置1#—8#共8个钻孔，左帮布置9#共1个钻孔。距离4#煤层间距大于5 m的区域不再施工区域预抽孔。

东轨大巷4#煤层共布置4个钻孔，全部布置在钻场迎头，4个钻孔及其分支钻孔控制东轨大巷下邻近层4#煤层。东轨大巷迎头施工4#煤层钻孔时，根据4#煤层定向钻孔层间距探测情况调整钻进参数。3#、4#煤层定向钻孔设计图分别见图1，2.

图1 东轨大巷3#煤层钻孔设计图

图2 东轨大巷4#煤层钻孔设计图

2) 定向钻孔施工抽采情况。

2020年4月13日—2020年6月7日在东轨大巷施工10个3#煤层定向钻孔(5#孔未到设计位置，增补1个孔)，2020年6月24日—2020年7月4日施工补9#钻孔，共11个钻孔，钻孔工程量6 425 m；2020年6月4日—2020年7月23日，在东轨大巷施工4个4#煤层定向钻孔，钻孔工程量3 295 m.

2.2 定向、普通钻进方式结合

东翼3条大巷分别实施定向钻孔+条带预抽钻孔联合布置瓦斯抽采防突措施。各类预抽钻孔施工完毕后，根据钻孔实际轨迹绘制钻孔竣工图，当钻孔控制范围不足或存在空白区域时，必须根据现场情况，利用普通旋转非定向钻机补充区域防突措施，消除空白区域。后期工作面掘进过程中，每10 m进行控制顶底板邻近煤层层位的探测钻孔设计，防止误揭煤层。

2.3 定向钻孔“一孔多用”

1) 准确钻进布孔。在准确控制钻孔位置的基础上，掌握瓦斯富集区，并可对此区域多开分支多抽采。2) 探测层位构造和煤层赋存。东轨大巷定向预抽钻孔施工中每50 m分别向顶板、底板探一次层间距，及时分析煤层产状及赋存变化情况，及时调整钻孔施工参数，精准地质防止后期掘进误揭煤。3) 利用抽采钻孔作为探放水钻孔，不需要另行施工探放水钻孔[5].

2.4 全密封防喷系统

为解决打钻喷孔、瓦斯超限问题，经过反复试验研究，开发出了一套抽采钻孔瓦斯防喷预控系统。该系统装置主要由孔口防喷装置、瓦斯缓冲收集装置、汽水分离器和钻尾负压转换装置组成，每个装置独立自成一体，又通过管路的连接相互作用相互影响形成一个整体。

定向钻孔首先使用d113 mm钻头开孔15～20 m，然后使用d153 mm和d195 mm钻头进行二级扩孔；下入6英寸封孔管注浆封孔；封孔水泥完全凝固并达到规定强度后，将孔口防喷装置前端与孔口外露封孔管使用法兰连接。孔口防喷腔体、瓦斯缓冲收集装置、汽水分离器和钻尾负压转换装置通过管卡或法兰连接，构成抽采钻孔瓦斯全密封防喷系统。

孔口防喷装置顶部6英寸接口和瓦斯缓冲收集装置采用法兰直接连接；孔口防喷装置底部6英寸排渣口和汽水分离器采用6英寸软管管卡连接；瓦斯缓冲收集装置4英寸接口和汽水分离器采用4英寸软管管卡连接；汽水分离器顶部4英寸抽采接口和d219 mm低负压管路通过4英寸软管管卡连接；钻尾负压转换装置一端连接钻尾水辫，带阀门的另一端连接静压水管路；钻尾负压转换装置顶部抽采口通过2英寸抽采软管与d219 mm低负压管路连接。带控制阀门的部件必须设置在施工人员容易接触的地点，便于随时打开抽采负压，避免瓦斯突然涌出造成超限。抽采钻孔瓦斯防喷预控系统示意图见图3.

图3 抽采钻孔瓦斯防喷预控系统示意图

该系统投入应用以来，有效地遏制了打钻喷孔瓦斯超限的发生，应用效果良好。

2.5 分源抽采

定向钻场内铺设有高、低负压两趟抽采管路，根据不同瓦斯抽采工艺及抽采瓦斯浓度，将高、低浓度瓦斯进行严格分选后分别采到两趟瓦斯抽采管路内，避免高浓度瓦斯因与低浓度瓦斯混合而无法被利用。利用d325 mm高负压抽采管路条带式抽采钻孔，d219 mm低负压抽采管路条带式抽采防喷系统，通过在线监测和人工定期测量单孔瓦斯抽采浓度，及时将浓度衰减至瓦斯发电界限以下的钻孔调整至低负压管路，确保高负压抽采管路瓦斯浓度和流量的稳定，使瓦斯电站能够正常运行。采用分源抽采以来，高浓度瓦斯混入低浓度抽采管路的量明显减少，东轨大巷d325 mm高负压抽采管路瓦斯浓度保持在30%左右，地面泵站高负压泵瓦斯抽采浓度保持在10%以上，实现瓦斯电站正常运行，解决了以往有瓦斯而不能被利用的问题。

2.6 分单元计量

利用三通将d325 mm高负压抽采管路分成两趟，分别安装孔板和V锥流量计，实现3#、4#煤层定向钻孔的分单元计量，精准确定瓦斯来源，为瓦斯抽采效果评判提供可靠计算依据。

2.7 提高通风管理可靠性

1) 巷道防突风门采用防逆风无压平衡风门，强度大，开关自动控制。2) 使用铁质分风器替换原来的布质分风器。以往井下局部通风机配套使用的分风器为布质分风器，耐压不高、经常撕裂短路风量，而铁质分风器耐风压强，杜绝了停风现象。3) 设计过胶带运输机自动防逆风装置，满足防突防逆流需要。

3 瓦斯综合治理成效

3.1 实现安全

截至2020年8月19日东轨大巷定向钻孔覆盖区域首次开始取样评判，东轨大巷定向钻孔观测数据统计：2020年4月20日—2020年8月19日，东轨大巷3#煤层累计抽采瓦斯330 828.2 m3；2020年6月8日—2020年8月19日，东轨大巷4#煤层累计抽采瓦斯151 324.6 m3，抽采达标。

自2020年8月连续掘进3个月，东轨大巷安全掘进210 m，巷道瓦斯浓度均在0.3%以下，无超限和动力现象。

3.2 缩短治理周期

东轨大巷3#、4#煤定向钻孔控制条带长度320 m，并通过普通钻孔弥补定向钻孔开孔至见煤段的空白区域，自施工起6个月累计抽采瓦斯约90万m3. 如采用普钻消突，不含掘进320 m时间，至少需要8个月，费时费工。

3.3 节约钻孔

使用定向钻孔代替地质超前探孔对层位进行探测。以每80 m探3个200 m钻孔计算，一个定向钻场能够节省地质钻孔800 m，节约工时4～6天。

3.4 瓦斯得到利用

抽采浓度大幅度提高，瓦斯利用量增加。平均每月抽采瓦斯纯量15万m3，抽至地面泵站浓度保持在10%以上，向瓦斯电站提供稳定气源，2020年1—9月累计发电量220万kWh，创造直接经济效益50万元。

4 极近距离煤层群巷道瓦斯综合治理问题及思考

1) 考虑密封性，加上定向钻孔在钻进过程中，开孔附近扰动大，因此不宜在煤巷开孔，应在煤层底板开孔，利用钻杆弯曲桡度，进入煤层。出现串孔现象，必须重开分支，避免串孔泄漏瓦斯。

2) 大于5 m且小于10 m的邻近层，应当设计抽采钻孔，可以不按照防突设计，根据抽采能力，设计3～5个钻孔，以减少邻近层瓦斯对掘进工作面的影响。

3) 对于小于5 m邻近层也要消突，《防突细则》要求控制范围相同，但是邻近层无巷道边缘，以何处为边界控制尚不明确。

4) 在薄煤层中施工时，尽量避免钻孔进入顶底板，如有此情况，必须要用普钻补钻。开孔附近60～100 m，定向钻机钻孔无法覆盖区域必须用普钻补钻。而《防突细则》对于定向长钻孔煤巷条带措施中，容易出现覆盖不到的区域，采用普钻补充抽采时间等没有相关要求。

5) 采用定向长钻孔覆盖联络巷区域，这些联络巷在揭煤时属于顺层钻孔消突，与传统揭煤穿层钻孔不同，《防突细则》对此未涉及。

5 结 论

对于极近距离煤层群，采取以定向钻进为主的瓦斯综合治理技术，实现了钻孔施工、巷道掘进、联络巷连续揭煤瓦斯无超限，降低了抽采周期，实现了对煤层瓦斯的超前控制。对于煤层群联合消突、抽采所存在的相关制度问题，还需要从技术层面进一步研究探讨、规范完善。