穿层定向长钻孔预抽消突技术在双柳煤矿的应用

石 军

(汾西矿业集团 双柳煤矿, 山西 柳林 033300)

目前国内突出矿井区域防突措施主要采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯[1]、顺层长钻孔预抽煤层瓦斯[2-4]或穿层短钻孔预抽煤层瓦斯[5-6]. 穿层钻孔工程量较大，与底板岩巷掘进相干扰，制约掘进进度，使采掘衔接紧张。顺层钻孔孔深较短，预抽面积小，达不到大面积消突，影响采掘作业。双柳煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，现开采4#(3#+4#)煤层。随着井田开拓区域向西部延伸,瓦斯含量日益增大，顺层钻孔预抽煤层瓦斯治理模式已经不能满足当前工作面瓦斯治理的需求，严重影响矿井的采掘衔接。因此，结合该矿实际情况，引进千米定向钻机，采用穿层定向长钻孔预抽[7]对四采区4#(3#+4#)中厚煤层进行区域防突，以实现矿井安全高效生产。

1 基本概况

双柳煤矿核定生产能力300万 t/a，矿井采用斜井、立井混合开拓方式，布置有3个采区，分别为二采区、三采区和四采区，其中二三采区为生产区，四采区为准备区。四采区区内构造简单，为一自东向西倾斜的单斜构造,可采煤层为4#(3#+4#)煤层，平均3.75 m，属中厚煤层。

矿井具备完善、可靠的通风系统，生产采区均布置有专用回风巷。矿井共布置有5个井筒，采用“三进两回”的通风方式，其中二采区布置有白家焉副立井、主斜井、回风井3个井筒，三采区布置有郭家山副立井、回风井两个井筒。矿井采用的通风方式为主要通风机抽出式通风，通风方法为分区式。

矿井采用(郭家山)地面固定抽采泵进行瓦斯抽采工作，并实现了全矿井的高、低浓度瓦斯分源抽采。目前郭家山泵站抽采泵四台型号为2BEC87，额定流量850 m3/min，抽采负压30～50 kPa，电机功率1 000 kW，矿井抽采泵两用两备。目前井下抽采主管路使用一趟d720 mm抽放管路，一趟d820 mm抽放管路，工作面支管均使用d325 mm的瓦斯抽放管路。

2 四采区煤层瓦斯赋存情况

双柳煤矿4#(3#+4#)煤层底板等高线+430 m及其以深区域属突出危险区，三、四采区位于突出危险区。4#(3#+4#)煤层最大破坏类型为V类，瓦斯压力最大值为2.4 MPa，瓦斯含量最大值为12.35 m3/t,瓦斯最大放散初速度为1.72 kPa，煤坚固性系数为0.52，煤层透气系数为0.804 3 m2/MPa2·d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.011 3～0.163 5 d-1，4#(3#+4#)煤层有煤与瓦斯突出危险性。准备区域煤层瓦斯压力及含量见表1.

表1 四采区煤层瓦斯压力及含量统计表

3 四采区巷道布置与区域消突方式选择

四采区位于三采区西侧，三采区3条大巷(胶带巷、轨道上山、回风下山)向西直接延伸作为其采区巷道。其中，采区胶带巷为岩石巷道，下山布置在4#(3#+4#)煤层底板岩层中，垂间距8～10 m，采区轨道巷和采区回风巷均为煤巷，沿4#(3#+4#)煤层布置。

使用底板岩巷穿层定向长钻孔对四采区进行区域煤层预抽消突。采区胶带巷作为四采区的底抽巷，先行掘进施工，再利用千米定向钻机在胶带巷向上施工穿层走向长钻孔，对4#(3#+4#)煤层采区轨道巷和回风巷掘进条带进行预抽消突，达到掩护掘进的目的。将采区轨道巷和回风巷再作为四采区的南北翼瓦斯治理巷道，利用千米定向钻机对四采区两翼开展大面积区域预抽。大巷位置及层位关系见图1.

图1 大巷位置及层位关系图

1) 区域瓦斯治理底抽巷预抽。

胶带巷每300 m布置1个钻场，每个钻场内布置7个钻孔，终孔间距7.5 m，钻孔控制南、北翼瓦斯治理巷左右两侧20 m. 通过在底板岩巷反复试验施工定向长钻孔可知，穿层定向长钻孔主孔深度可以达到450～550 m,最深可达660 m，加上分支孔钻孔总进尺可达到1 800 m左右。1钻场定向长钻孔施工情况见表2.

表2 定向长钻孔施工情况表

穿层定向长钻孔布置见图2.

图2 区域瓦斯治理底抽巷穿层定向长钻孔布置平、剖图

在同等抽采负压条件下，统计对比钻孔瓦斯浓度和抽采量。通过对井下钻孔抽采效果考察，选取胶带巷1号钻场的穿层定向钻孔抽采参数进行分析，得出不同深度的穿层定向钻孔瓦斯抽采规律。穿层定向长钻孔接入抽采系统后瓦斯浓度、抽采量变化曲线见图3，图4.

图3 穿层定向长钻孔接入抽采系统后瓦斯浓度变化曲线图

由图3,图4可知，钻孔长度为450 m 时，钻孔瓦斯浓度一直保持在80%～90%，抽采量在0.20～0.30 m3/min；钻孔深度为660 m时，钻孔浓度和抽采量刚开始一个月较高，最后直线下降。可以看出，随着钻孔深度的增加，钻孔浓度、抽采量随之变大，但与钻孔深度不呈比例变化。钻孔深度在430～450 m时，抽采特性变化较小且能维持一定时间，而钻孔深度在560～600 m时，抽采变化较大。随着钻孔分支的增多以及主孔的加深，钻孔施工时间明显增加，效率降低；同时钻孔施工以及成孔的难度不断加大，导致成本增加。由于南、北翼瓦斯治理巷东高西低，钻孔为下山钻孔，钻孔末端排渣困难，极易出现堵孔等现象。因此，四采区4#(3#+4#)煤层穿层定向长钻孔深度在430～450 m时，抽采效果最佳。

2) 南北翼瓦斯治理巷预抽。

南、北翼瓦斯治理巷掘进到位后，沿巷道掘进方向每60 m布置1个钻场，钻场内布置8～9个钻孔，孔深420～450 m，终孔间距7.5 m，对四采区进行区域消突。南、北翼瓦斯治理巷区域消突钻孔布置示意图见图5.

南、北翼瓦斯治理巷经过6个月抽采，钻孔平均抽采浓度52%，单孔平均抽采量0.213 m3/min，钻场平均抽采量1.49 m3/min，累计抽采量5.52 万m3，残余瓦斯含量6.08 m3/t. 在工作面布置测点进行区域措施效果检验，测得南、北翼瓦斯治理巷最大残余瓦斯含量为5.22 m3/t，小于临界值，且施工过程中无顶钻、喷孔及其他动力现象。工作面采用钻屑指标法进行区域验证，测得南、北翼瓦斯治理巷最大钻屑瓦斯解吸指标为40 Pa，最小钻屑瓦斯解吸指标为30 Pa，平均钻屑瓦斯解吸指标为30 Pa；最大钻屑量2.5 kg/m，最小钻屑量1.8 kg/m，钻屑量平均值2.0 kg/m，区域防突措施有效。同时巷道掘进过程中工作面瓦斯浓度最大0.30%，回风流瓦斯浓度最大0.38%，瓦斯对掘进基本无影响，巷道掘进速度明显提高，表明实施穿层定向长钻孔的区域防突措施后，取得了较好的防突效果。区域效检残余瓦斯含量、区域验证钻屑瓦斯解吸指标变化曲线见图6，图7.

图7 区域验证钻屑瓦斯解析指标变化曲线图

4 结 语

结合双柳煤矿现场条件，实施了穿层定向长钻孔，效果考察显示，底板岩巷穿层定向长钻孔区域防突措施可有效地避免边掘边抽时产生的相互干扰，提高掘进速度，有效解决采掘接替紧张和回采产量不足的问题，实现矿井采煤、掘进和抽采的平衡。底板岩巷既可以作为瓦斯治理巷道，也可作为矿井系统大巷，实现了“一巷多用”；在煤与瓦斯突出矿井采掘工程实践中应用，保障了矿井安全高效生产。