近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术

龙声德,段勇信,罗飞

(贵州松河煤业发展有限责任公司,贵州 六盘水 553000)

贵州松河煤业发展有限责任公司矿区内煤层赋存条件具有煤层多且层间距较小等特点,通常一层煤还没有揭完就要对下一层煤采取区域防突措施[1].近距离突出煤层群开采突出危险性大,且易误穿煤层引发煤与瓦斯突出等事故[2].因此,近距离的煤层群采取可靠的区域防突措施,对于保障矿井安全生产、提高揭煤效率及安全性具有重大意义[3-5].国内众多学者对快速揭煤及煤层群采掘问题进行了研究.赵云德[1]对近距离多煤层石门快速揭煤技术进行了试验研究,揭煤时间缩短48%;李青松[6]结合松河矿井的具体情况,提出了一套完整的石门揭煤防突工艺,并分析应用效果,实现了安全快速揭煤;曹佐勇等[7]对近距离煤层水力冲孔破煤时电磁辐射信号响应特征进行研究;王建等[8]为提高缓倾斜严重突出煤层的揭煤效率,采用缩短揭煤巷道距离、水力压裂增透结合底板穿层钻孔预抽的方法,优化揭煤步骤,现场应用表明,该方法可以减少2次区域验证次数,减少施工9～24个钻孔,揭煤时间平均缩短5.0～15.4 d,费用减少50%,实现了安全快速石门揭煤;龙建明等[9]将深孔预裂爆破和高压水力割缝技术应用在松藻煤矿,揭煤时间缩短61%;冯康武[10]采用单孔多次高压水力割缝形成缝槽,并同时实施中压注水实现导向性水力压裂的煤层增透方法,单孔抽采瓦斯流量平均提高2倍,单孔抽采瓦斯浓度平均提高3倍左右,实现了石门快速揭煤.

以上的研究只针对单一煤层或少数煤层进行快速揭煤,根据我公司煤矿出现的近距离倾斜煤层群特征及揭煤周期长等问题,本文提出近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术,采取左右钻场施工长钻孔控制前方大于0.3 m的10层煤,在揭煤的过程中对前方待揭煤层进行不间断抽采降低揭煤区域瓦斯含量、压力,提高单孔浓度及瓦斯利用率,同时降低突出危险性,在距煤层7 m法向距前对单一煤层或层间距小于7 m煤层群抽采盲区采取补充措施和煤层注浆,从而达到安全高效快速揭煤的目的.

1 工程概况

贵州松河煤业发展有限责任公司采三区132运输石门是下一步保证矿井能正常生产接续的重要工程,为更好地做好该石门瓦斯治理,快速掘进形成系统,布置该区段采掘工作面瓦斯治理工程,打开矿井生产布局,是矿井急需解决的问题.

132运输石门设计长度891 m,以32°55′28″方位,3‰坡道向前掘进,最大埋深644 m.L8测点前45～186 m段标高+1 493.2～1 492.7 m,掘进过程中需要揭露均具有突出危险性的9#,11#,13#,15#,16#,17#,18#及大于0.3 m的3层煤线，共计10层煤；煤层最大层间距9.2 m、最小层间距4 m;平均层间距6.5 m,煤层平均倾角30°,煤破坏类型为III～IV类,瓦斯含量为8.20～18.39 m3/t.

2 快速揭煤技术

近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术分为3步：(1)穿层长钻孔控制前方10层煤进行连续抽采和异地消突;(2)在抽采空白带进行区域防突措施补充和强化;(3)对煤层进行注浆固化形成安全屏障.

2.1 连续抽采+异地消突

在L8点前30 m处左右两帮分别施工2个深×宽×高为5.0 m×5.5 m×3.5 m的钻场,钻场全断面采用锚网索支护.在两帮钻场和工作面退后8 m处利用ZDY7300LX煤矿用全液压坑道大功率钻机施工96个15～180 m的钻孔,控制巷道轮廓线上部、下部及左右均≥15 m,平均每层煤施工补孔12个、注浆孔8个,共计296个钻孔,除补孔外所有钻孔均能在工作面进尺过程中实现连续抽采和异地消突.常规揭煤方法平均每层煤施工钻孔49个,揭露10层煤需要施工490个钻孔,比快速揭煤技术多施工钻孔194个.快速揭煤技术穿层钻孔实施方法如图1所示.

2.2 煤层注浆

在各煤层7 m法向距前,结合区域防突措施钻孔竣工图,在揭煤区域外注浆固化煤层,并改变煤岩性质,加固揭煤过程中顶底板的同时形成一个人为的安全屏障.

在施工注浆孔时,由于钻孔受到钻头和钻杆的钻动影响导致钻孔周围应力重新分布,钻孔孔壁及周边煤岩受到扰动影响后形成一些人为的裂隙.注入高压高强度的无机材料填充裂隙,不仅可以减少揭煤区域外未进行抽采的煤层瓦斯涌入揭煤工作面,还间接地加大煤体承载能力,减少揭煤过程中的突出危险性,有效地防止煤与瓦斯突出事故.注浆设计详见图2.

图2 注浆设计图

注浆钻孔施工后,采用“一堵一注+带压封孔工艺”,封孔压力不得小于4 MPa,为了避免注浆时漏浆,封孔长度不小于3 m,见煤段前后至少2 m使用筛管,其余全程下入实管.封孔时间超过2 h后,采用无机充填加固材料对钻孔进行注浆,注浆压力不得小于10 MPa.注浆设计参数详见表1.

表1 注浆设计参数

3 实践研究分析

3.1 钻孔实际施工情况分析

在132运输石门L8测点前30 m处左右钻场及工作面退后8 m施工前方10层煤区域防突措施钻孔,以工作面前方第9层煤17#煤层的控制范围为基准,依次往工作面方向进行钻孔补充,设计96个,总工程量11 190 m.根据竣工图分析平均每层煤需要补充措施钻孔12个和注浆孔8个,即共需要施工钻孔合计296个,总工程量17 190 m.从2021年5月25日—2021年6月5日,共计12 d,使用2台钻机施工钻孔102个,钻孔总进尺11 215 m,平均每天施工934.6 m,补孔和注浆孔在每层煤7 m法向距前施工,共计施工220个,工程量6 595 m.揭开10层煤需要施工区域防突措施钻孔和注浆钻孔304个,总工程量17 810 m.

常规揭煤方式揭露9#～18#煤需要施工钻孔490个,单孔平均孔深38 m,工程量约18 620 m,施工穿层钻孔每米成本260元,即快速揭煤技术节约施钻成本21.06万元.

3.2 钻孔施工时间分析

近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术钻孔施工时间为12 d,施钻期间无异常动力现象,施钻结束后还需要抽采29 d,时间差异性系数小于30%,并且符合上级公司下发的《矿井井巷揭煤技术管理规范》文件,工作面抽采率达到45%以上.每层煤施工补孔和注浆孔时间为4 d,还需要抽采7 d达到要求,施钻和抽采时间共计99 d.常规揭煤方式每层煤需要施钻时间和抽采时间最快为30 d ,在揭煤程序、施工单位和施工设备一致的情况下比常规揭煤方式节省时间201 d,缩短揭煤时间67%.

3.3 瓦斯抽采量分析

穿层长钻孔最多穿过煤层10层,钻孔最长195 m,最短18 m.穿过煤层1～10层不等.单孔初始浓度最大高达89%,钻孔成孔后24 h内由管理人员到现场指导进行“两堵一注+带压封孔”,DN350主管安设自动计量装置,每7 d进行一次调校，误差不超过5%,单孔浓度每7 d由专人负责测定并记录分析.主管瓦斯浓度在全部钻孔施工结束后的29 d内稳定在30%以上,抽采混量平均22.83 m3/min、抽采纯量6.85 m3/min;日抽采总纯量9 864 m3,日均发电量达到2.66万kW·h.单孔浓度最高90%,主管瓦斯浓度最高达到50%,纯量最高达到12.52 m3/min.抽采时间与抽采纯量、瓦斯浓度关系图见图3所示.

图3 抽采时间与抽采纯量、瓦斯浓度关系

3.4 瓦斯利用率分析

所有煤层揭露完成后,主管瓦斯浓度仍保持在10%上下,总抽采天数130 d,抽采总纯量57.57万m3,平均抽采纯量3.08 m3/min.常规揭煤方式平均每层煤瓦斯抽采总纯量为3.5万m3,10层煤揭露完成抽采总纯量能达到35万m3,平均1 m3纯量瓦斯能发电2.7 kW·h.近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术比常规揭煤方式抽采总纯量多22.57万m3,可多发电60.9万kW·h,可间接获益40.8万元.快速揭煤技术与常规揭煤瓦斯抽采量对比图见图4.

图4 快速揭煤技术与常规揭煤瓦斯抽采量对比

3.5 效果分析

在钻孔有效控制范围内抽采达标后,工作面进尺期间钻场和后方钻孔始终保持抽采,主管抽采负压保持在15 kPa以上,主管瓦斯浓度长期维持在15%上下,对前方揭煤区域钻孔有效控制范围内进行连续抽采.在工作面掘进期间,抽采时见煤段筛管孔附近产生负压流，从而形成一个负压圈对涌入工作面的瓦斯进行拦截和注浆形成的安全屏障共同构成揭煤工作面的“双重保护”.近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术成果示意图见图5.

1-揭煤工作面; 2-负压圈; 3-抽采钻孔; 4-注浆孔; 5-注浆安全屏障

在132运输石门揭露9#～18#层煤期间,区域防突措施效果检验中,17#煤层实测最大残余瓦斯含量为4.586 9 m3/t;工作面前方第四层煤13#层最小残余瓦斯含量为2.543 3 m3/t.区域验证最大钻屑解吸指标值为0.28 mL/(g·min1/2);掘进期间回风流瓦斯浓度最小仅为0.19%,最大为0.45%.

3.6 建议

1)由于第一层煤穿过的钻孔终孔间距最近仅为1 m,因此,在施工穿层长钻孔时现场必须有中线和测定钻孔开孔参数的仪器,由专人开孔,倾角偏差为0°,夹角偏差±1°,钻孔见煤情况与设计偏差5 m以上,采用钻孔测斜仪确定钻孔有效控制范围, 最大化弥补抽采盲区.

2)对于倾角大于-25°的下行抽采钻孔,为了提高抽采效果必须采取有效防范钻孔积水的技术措施.

4 结论

1)采用穿层长钻孔同时控制10层煤进行连续抽采,各煤层7 m法向距之前采区补充措施和煤层注浆固化,加大煤体承载能力,减少揭煤过程中突出危险性,较常规揭煤方式节省时间201 d,缩短揭煤时间67%.

2)在负压圈和注浆形成的安全屏障共同构筑的“双重保护”下,揭煤过程中实现瓦斯零超限和零异常,为矿井安全揭煤提供保障.

3)从揭煤时间、瓦斯抽采量、钻孔施工工程量以及瓦斯利用率等多方面比较,证明了近距离倾斜煤层群连续抽采快速揭煤技术能实现安全快速揭煤.