龐 源 林柏泉 曹召丹 高亞斌 郝志勇

（1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

近年來，隨著礦井開采規(guī)模和采掘深度的擴(kuò)大，地應(yīng)力和瓦斯壓力加大，一些原來的低瓦斯礦井逐步衍變?yōu)楦咄咚沟V井，礦井瓦斯災(zāi)害日益嚴(yán)重，尤其是煤與瓦斯突出問題越來越成為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)和提高效益的主要障礙之一。理論和實(shí)踐表明，瓦斯抽采是防范煤礦安全事故的治本之策之一。利用井下鉆孔抽采煤層瓦斯是當(dāng)前國內(nèi)煤礦最常用、最直接、最有效的安全保障方法之一。但在瓦斯抽采鉆孔施工過程中，由于諸多因素影響，鉆孔實(shí)際軌跡往往偏離預(yù)先設(shè)計(jì)的理想軌跡，導(dǎo)致鉆孔偏離設(shè)計(jì)靶點(diǎn)，產(chǎn)生瓦斯治理盲區(qū)，給安全生產(chǎn)造成極大隱患。尤其是在三軟低透氣性突出煤層中施工瓦斯抽采鉆孔時，由于煤層強(qiáng)度低、瓦斯含量高，容易產(chǎn)生卡鉆、塌孔和噴空等現(xiàn)象，導(dǎo)致本煤層鉆孔深度淺，此外底板穿層孔遇煤率低，鉆孔軌跡無法控制，可能產(chǎn)生瓦斯抽采空白帶。

新豐煤礦25021工作面為三軟低透氣性、大采長、煤與瓦斯突出危險工作面，為了消除其突出危險性，開采11051工作面作為下保護(hù)層，布置兩條底板巖巷穿層鉆孔，結(jié)合上、下副巷順層鉆孔的立體化綜合抽采系統(tǒng)，由于25021工作面為大采長工作面，底板抽采巷穿層鉆孔控制面小，只解決了煤巷掘進(jìn)條帶防突，回采工作面瓦斯涌出并未完全得到解決，工作面中部可能存在瓦斯抽采空白帶。本文對25021工作面中部是否存在瓦斯抽采空白帶進(jìn)行了論證分析，并采取措施治理瓦斯抽采空白帶，消除了工作面煤與瓦斯突出危險性。

1 礦井及工作面概況

河南省登封市新豐煤礦是典型的三軟低透氣性煤與瓦斯突出礦井，主采二1煤層兼采一5煤層，其主采煤層二1煤層是突出煤層，二1煤層賦存于山西組下部大占砂巖下，上距砂鍋窯砂巖67.16m、香碳砂巖29.16m，下距L7灰?guī)r12m，埋深0～1300 m，底板標(biāo)高+480～-600m，結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。一5煤層厚0～1.16 m，平均0.86m，煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，距二1煤層局部平均40m。25021工作面為二1煤層主采工作面，工作面走向長310 m，傾斜長200m，煤層厚4.2m，煤層傾角28°。11051工作面屬于一5煤層，作為25021 工作面下保護(hù)層開采，在保護(hù)層回采期間擬通過±0 m 大巷作為上副巷的底抽巷，-70 m 大巷作為下副巷的底抽巷。25021 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 25021工作面巷道布置圖

2 抽采空白帶產(chǎn)生原因

瓦斯抽采鉆孔在三軟低透氣性突出煤層施工過程中，由于各種因素的影響，鉆孔往往發(fā)生彎曲，導(dǎo)致鉆孔不能施工到設(shè)計(jì)位置，在瓦斯抽采過程中形成抽采盲區(qū)，造成瓦斯抽采空白帶。鉆孔彎曲是打鉆施工過程中普遍的、大量存在的現(xiàn)象，也是形成瓦斯抽采空白帶最主要的原因。影響鉆孔彎曲的主要因素有地質(zhì)因素、技術(shù)工藝因素以及其他因素。

2.1 地質(zhì)因素

在鉆進(jìn)過程中，地質(zhì)因素是影響鉆頭軌跡的重要因素。影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是鉆進(jìn)巖層的硬度、研磨性、密度、礦物成分、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。地質(zhì)因素的影響主要表現(xiàn)為造成巖石的非均質(zhì)性，巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性，具有層理和片層的巖層，其物理力學(xué)性質(zhì)在各個方向上不同，此種特性稱為巖石的各向異性，在這種巖層中鉆進(jìn)時，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。除了層理、片理和軟硬互層等地層條件對鉆孔彎曲有較大影響外，在松軟地層鉆進(jìn)時，由于鉆具與孔壁之間有較大間隙，鉆具在重力作用下，鉆孔有下垂趨勢。地質(zhì)因素對鉆孔軌跡的影響表現(xiàn)為孔底鉆具受到一個來自地層的自然造斜力即地層力的作用，地層力的2 個分力——地層變孔斜力和地層變方位力，使鉆孔產(chǎn)生傾角和方位角的變化。

2.2 技術(shù)工藝因素

鉆具的結(jié)構(gòu)特性在鉆孔彎曲中起著重要作用，鉆具的結(jié)構(gòu)將影響其均衡受力，如果鉆具受力不均衡，將使鉆具偏離理想的鉆進(jìn)方向。在鉆具鉆進(jìn)過程中，可能產(chǎn)生跑偏現(xiàn)象或鉆桿彎曲，這時鉆具鉆速和推進(jìn)力將影響鉆具撓曲變形的程度。鉆速的大小決定了鉆具回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的大小，離心力增大，將增大鉆桿撓曲變形程度，推進(jìn)力加大，鉆具彎曲的趨勢也將增大，當(dāng)其超過臨界軸向壓力時，還會造成鉆具失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.3 其他因素

其他造成鉆孔彎曲的原因主要指鉆孔在開孔時的初始偏斜因素，包括設(shè)計(jì)開孔角度及開孔鉆進(jìn)時的操作因素，如鉆機(jī)安設(shè)不正確、固定不牢，鉆具與鉆孔中心未對正、使用了不合標(biāo)準(zhǔn)或超過公差極限的巖心管、鉆桿和其他碎巖工具，絲扣連接不同心等。

3 抽采空白帶論證

3.1 -70 m 穿層孔未見煤點(diǎn)分析

25021工作面為三軟低透氣性突出工作面，工作面較長，本煤層上、下副巷在打鉆孔鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生卡鉆、塌孔和噴孔等現(xiàn)象，存在對接困難。因此設(shè)計(jì)要求±0m 和-70m 底抽巷穿層鉆孔能夠覆蓋25021工作面的全部區(qū)域，對工作面瓦斯進(jìn)行抽采。-70m 抽采鉆場剖面圖如圖2所示，-70 m 底抽巷布置位置距25021工作面底板19m。

25021工作面煤層柱狀圖如圖3所示。從圖3中可知-70m 底抽巷位于L7石灰?guī)r層下方，在穿層，鉆孔施工耗時較長，對鉆頭、鉆機(jī)的損壞較為嚴(yán)重，使得鉆孔施工較為困難，L7石灰?guī)r層頂部為堅(jiān)硬的菱鐵質(zhì)泥巖，中間夾薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等，存在軟硬互層，當(dāng)鉆頭由硬巖層進(jìn)入軟巖層時，鉆頭在孔底受力不平衡，鉆頭靠層面上軟巖一側(cè)鉆速快，靠硬巖一側(cè)鉆速慢，加之產(chǎn)生的傾倒力矩，使鉆孔順巖層層面方向彎曲，有打不到煤層的可能性。

圖2 -70m 抽采鉆場剖面圖

圖3 25021工作面煤層柱狀圖

統(tǒng)計(jì)分析-70m 底抽巷抽采鉆場施工記錄表顯示，在-70m 底抽巷的19?！?5＃抽采鉆場均存在未見煤孔，未見煤孔集中在各抽采鉆場的7?！?1＃抽采鉆孔。-70m 底抽巷未見煤孔見表1。施工鉆孔方位角均為184°，平均傾角為42.8°，鉆孔平均長度為116m，相對于煤層傾角28°，上述鉆孔施工角度小，施工鉆孔長度過長，施工鉆孔偏離設(shè)計(jì)軌跡，未能打到25021工作面煤層，不能按照-70m 底抽巷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)25021工作面穿層孔的全覆蓋，因此，初步論證分析在25021中部存在瓦斯抽采空白帶。

3.2 ±0m底抽巷穿層鉆孔分析

為繼續(xù)論證并盡可能消除工作面中部的瓦斯抽采空白帶，在±0m 底抽巷每一鉆場施工-4°和-8°兩個角度的下向鉆孔輔2孔和輔3孔，對新增鉆孔進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽采，觀測記錄各抽采鉆孔的負(fù)壓、抽采濃度、抽采流量等數(shù)據(jù)，選取有代表性的新4鉆場輔2孔、輔3孔進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，輔2孔、輔3孔抽采記錄分別如表2 和表3 所示。根據(jù)表2、表3的數(shù)據(jù)繪制抽采濃度隨抽采時間變化的曲線見圖4。

由表2、表3及圖4可知，新4鉆場下向鉆孔輔2孔和輔3 孔的抽采濃度隨著抽采時間逐漸降低，初期濃度維持在20%以上，與原有抽采鉆孔相比抽采濃度有了明顯提高。由于輔3孔傾角為-8°，輔2孔傾角為-4°，輔3孔距離25021工作面中部更近，抽采濃度一直在輔2 孔的抽采濃度之上，說明越靠近25021工作面中部，鉆孔的抽采濃度越高，進(jìn)一步說明了25021工作面中部確實(shí)存在瓦斯抽采空白帶。

表1 -70m 底抽巷未見煤孔

表2 新4鉆場輔2孔負(fù)壓、抽采濃度及流量觀測記錄

圖4 新4鉆場輔2、輔3孔抽采濃度隨抽采時間變化曲線圖

表3 新4鉆場輔3孔負(fù)壓、抽采濃度及流量觀測記錄

3.3 突出預(yù)測指標(biāo)考察分析

對25021工作面切眼的突出預(yù)測指標(biāo)進(jìn)行考察，在25021切眼距上副巷37 m、62 m、87 m、116m、146m、167m、188m 布置考察孔進(jìn)行突出預(yù)測指標(biāo)測試，測量鉆屑瓦斯解析指標(biāo)△h2max，最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q，鉆孔直徑42mm，在各考察孔從開始鉆進(jìn)到鉆至煤層中8～10m 孔深段，鉆孔每鉆進(jìn)1m 測定該1m 段的全部鉆屑量S；每鉆進(jìn)2m 測定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h2；在暫停鉆進(jìn)后2min內(nèi)測定鉆孔瓦斯涌出初速度q，測定鉆孔瓦斯涌出初速度時，使用封孔器封孔長度為1m。各考察孔突出預(yù)測指標(biāo)的最大值如表4所示。據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制突出預(yù)測指標(biāo)最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線，見圖5。圖中橫坐標(biāo)為考察孔距上副巷距離，縱坐標(biāo)分別為鉆屑瓦斯解析指標(biāo)△h2max、最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q。

表4 25021切眼各考察孔突出預(yù)測指標(biāo)最大值

測試結(jié)果分析：

（1）25021切眼處測定最大鉆屑量Smax和鉆孔瓦斯涌出初速度q均在安全臨界值以下，但是有5個位于工作面中部及工作面上部附近考察孔的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)△h 處在臨界值200Pa以上，表明25021工作面煤體的瓦斯解吸能力較強(qiáng)，25021工作面中部和上部煤體仍然具有突出危險性。

（2）分析突出預(yù)測指標(biāo)最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線，由工作面兩邊向工作面中部突出危險性預(yù)測指標(biāo)呈逐漸增高趨勢，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)增大到400Pa、最大鉆屑量增大為3.8kg／m、鉆孔瓦斯涌出初速度增大到0.5L／min。突出危險性預(yù)測指標(biāo)在工作面中部增高，說明突出危險性在工作面中部增強(qiáng)，工作面中部存在瓦斯抽采空白帶。

圖5 突出預(yù)測指標(biāo)最大值隨考察孔距上副巷距離變化曲線

3.4 劃定抽采空白帶范圍

結(jié)合-70 m 和±0 m 底抽巷穿層鉆孔的成孔記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)瓦斯抽采鉆孔的終孔位置，劃定25021工作面穿層鉆孔的控制區(qū)域，如圖6 所示。-70m 和±0 m 底抽巷穿層鉆孔不能完全覆蓋25021工作面全部區(qū)域，且由于25021 工作面過長，工作面上、下副巷順層孔不能對接，在工作面中部也存在控制盲區(qū)，根據(jù)全部瓦斯抽采鉆孔的控制區(qū)域，確定工作面中部抽采空白帶的范圍，即圖6中陰影部分所示。

圖6 25021工作面抽采空白帶范圍

4 抽采空白帶治理

為了治理工作面中部的瓦斯抽采空白帶，徹底消除工作面的突出危險性，在距上副巷70 m、距下副巷50m之間的80m切巷內(nèi)向工作面前方施工上、下兩排順層抽采鉆孔，抽采工作面前方100m內(nèi)中部聚集的瓦斯。鉆孔長度為100 m，鉆孔間距為3m，上、下兩排鉆孔交錯布置，下排鉆孔垂直煤壁布置，傾角0°，方位角94°，上排鉆孔與煤壁成10°夾角斜交布置，傾角3°，方位角104°，鉆孔布置如圖7所示。

圖7 鉆孔布置平面圖

鉆孔自10月3日開始聯(lián)網(wǎng)抽采，選取具有代表性的25021切巷下段上排1?？祝y(tǒng)計(jì)該孔近2個月時間內(nèi)瓦斯抽采濃度的變化情況，繪制該孔抽采濃度隨時間變化曲線圖，見圖8。由圖8 可知，從開始抽采到約20d時，1＃孔抽采濃度始終維持在40%左右，最大抽采濃度接近60%，表明在25021工作面中部存在高濃度瓦斯聚集區(qū)，隨著抽采時間的推移，瓦斯抽采濃度呈逐漸下降趨勢，最終抽采濃度穩(wěn)定在5%左右，說明工作面中部聚集的瓦斯被大量抽采，瓦斯含量明顯降低，工作面前方100m 的瓦斯抽采空白帶得到了有效治理，消除了突出危險性。

圖8 抽采濃度隨時間變化曲線圖

5 結(jié)論

（1）造成瓦斯抽采空白帶的主要原因是鉆孔在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)鉆孔彎曲現(xiàn)象，造成鉆孔彎曲的主要因素有地質(zhì)因素、技術(shù)工藝因素以及其他因素。

（2）在三軟低透氣性煤層中施工順層抽采鉆孔時存在困難，導(dǎo)致本煤層 孔深度淺，因此設(shè)計(jì)工作面時要合理選擇工作面傾斜長，避免出現(xiàn)上、下副巷順層孔不能對接的情況。

（3）為新豐煤礦的瓦斯治理工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，抽采空白帶論證分析表明，25021工作面底抽巷層位布置不合理，位于堅(jiān)硬的L7石灰?guī)r層下方，為鉆孔施工帶來困難，影響瓦斯抽采效果。25021工作面底抽巷最佳層位應(yīng)該控制在距二1煤層底板10～12m，位于L7石灰?guī)r層上方。

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