采區(qū)運(yùn)輸下山石門揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)

張連偉

(開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司東歡坨礦業(yè)分公司，河北 唐山 064002)

隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，在巷道掘進(jìn)施工過(guò)程中，以石門揭煤發(fā)生煤與瓦斯突出事故的概率最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)千噸級(jí)及以上的特大煤礦突出事故中，石門揭煤工作面發(fā)生煤與瓦斯突出約占70%～80%，其突出強(qiáng)度達(dá)到其他巷道煤與瓦斯突出強(qiáng)度的6倍以上[1-4]，因此，在石門揭煤過(guò)程中必須采取安全高效的防突措施。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)石門揭煤的煤與瓦斯突出機(jī)理和瓦斯綜合防治措施開(kāi)展了研究[5-10]，提出了各類煤與瓦斯防突方法，其中，預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施被廣泛應(yīng)用于揭煤工作中[11-15]。但是由于煤礦的煤層賦存條件和巷道類型的不同，煤與瓦斯突出的條件也不一樣，形成各自不同的特點(diǎn)。本文以開(kāi)灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門揭煤為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證的方法對(duì)石門揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)進(jìn)行研究，以期為類似礦井的石門揭煤瓦斯防治提供依據(jù)。

1 礦井概況

開(kāi)灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門布置在二水平，開(kāi)口位置為運(yùn)輸下山運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷，共包括運(yùn)輸下山、運(yùn)輸下山下部石門二部分。運(yùn)輸下山為16°下山，沿12-1煤層頂板掘進(jìn)，已施工到位。運(yùn)輸下山下部石門為新區(qū)域掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度80m，將穿過(guò)11、9煤層。目前已施工45.4m(AX34測(cè)點(diǎn)前)，巷道掘進(jìn)層位處于12-1煤層頂板(11煤層底板)，即將揭露11煤層。11煤層傾向N306°，傾角N20°，真厚平均2.2m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，塊狀，煤質(zhì)較硬。11煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。2018年10月17日，二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門工作面掘進(jìn)至距11煤層法線距離7.5m位置停止掘進(jìn)，開(kāi)始實(shí)施揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)。

表1 11煤層頂?shù)装迩闆r

2 石門揭煤綜合瓦斯治理技術(shù)

二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門工作面從距11煤層底板最小法向距離5m開(kāi)始到穿過(guò)煤層進(jìn)入頂板2m的過(guò)程均屬于揭煤作業(yè)。

2.1 瓦斯參數(shù)測(cè)定

1)煤層瓦斯壓力測(cè)定。工作面在距離11煤層法向距離7.5m時(shí)，停止工作面施工。在二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山AX30測(cè)點(diǎn)前28m右?guī)豌@窩內(nèi)施工兩個(gè)瓦斯參數(shù)測(cè)定鉆孔，分別為C1、C2；在二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門AX34測(cè)點(diǎn)前14m左幫鉆窩內(nèi)施工一個(gè)瓦斯參數(shù)測(cè)定鉆孔C3，對(duì)11煤層進(jìn)行了瓦斯壓力測(cè)定工作，測(cè)得最高瓦斯壓力為2.6MPa，鉆孔施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)卡鉆、頂鉆、夾鉆、瓦斯動(dòng)力等異常現(xiàn)象。二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門揭11煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定鉆孔布置如圖1所示。鉆孔施工參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 運(yùn)輸下山下部石門揭11煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定鉆孔布置

2)煤層其他參數(shù)測(cè)定。根據(jù)實(shí)際計(jì)算得出，11煤層瓦斯含量10.769m3/t，吸附常數(shù)a=29.69m3/t，b=0.25m3/t，瓦斯放散初速度△P=8.9，煤的水分Mad=1.22%，煤的灰分Ad=8.27%，煤的孔隙率為0.06868，煤的容重1.3t/m3。

表2 鉆孔施工參數(shù)

綜上，二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門測(cè)得瓦斯含量10.769m3/t；瓦斯壓力為2.6MPa，因此，判定該掘進(jìn)工作面需要進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。

2.2 瓦斯預(yù)先抽采

開(kāi)灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門揭煤主要采取預(yù)抽鉆孔的方法對(duì)11煤層揭煤區(qū)域進(jìn)行預(yù)先抽放，預(yù)抽鉆孔抽放半徑3m，孔間距不大于6m，鉆孔設(shè)計(jì)角度為-4.48°～33.35°，孔深13.9～59.7m，控制范圍為巷道上、左、右側(cè)5m，控制巷道底部3m。

鉆孔采用ZDY-1200、ZDY-4000型鉆機(jī)施工，開(kāi)孔孔徑113mm，終孔孔徑94mm，施工抽放鉆孔數(shù)36個(gè)，總計(jì)1290.9m。二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門瓦斯抽放孔布置如圖2所示，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

2018年11月7日開(kāi)始將鉆孔接入抽放管路，每班檢測(cè)抽放管進(jìn)氣端瓦斯?jié)舛?、瓦斯泵排放口瓦斯?jié)舛?、抽放流量并?jì)算瓦斯抽放量，截止到2019年1月4日，抽放時(shí)間共計(jì)58d，抽放量共計(jì)24075.3m3。

2.3 水力沖孔

當(dāng)所有預(yù)抽鉆孔幾乎不能抽出瓦斯時(shí)，利用抽放鉆孔對(duì)11煤層進(jìn)行水力沖孔，使煤體破壞剝落，使煤層煤巖中的彈性潛能和瓦斯的膨脹能在可控的條件下緩慢釋放，逐漸形成若干直徑較大的孔洞。煤層中新裂縫的產(chǎn)生和應(yīng)力水平的降低打破了瓦斯吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡，瓦斯解吸和排放速度加快，使部分吸附瓦斯轉(zhuǎn)化成游離瓦斯，而游離瓦斯則通過(guò)裂隙運(yùn)移得以排放，提高煤層瓦斯透氣性。水力沖孔過(guò)程排出了大量的瓦斯和一定數(shù)量的煤炭，在煤體中形成一定的卸壓、排放瓦斯區(qū)域。在這個(gè)安全區(qū)域內(nèi)，水力排渣消除了煤層的動(dòng)力，改變煤層的性質(zhì)，起到有效的防治瓦斯效果。

圖2 一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門揭11煤層抽采孔布置(m)

1)布孔方法：利用1#—20#預(yù)抽鉆孔作為水力孔，通過(guò)1#—5#驗(yàn)證孔觀測(cè)瓦斯?jié)舛?、壓力變化情況，每個(gè)鉆孔沖出煤量及各鉆孔累計(jì)沖出的總煤量數(shù)值應(yīng)不小于煤層厚度乘以20。沖孔順序：1#、6#、11#、16#、20#、17#、14#、8#、4#、3#、2#、5#、9#、13#、12#、7#、10#、15#、18#、19#。

2)施工工藝：要求水力沖孔水壓3MPa，孔口安設(shè)防噴裝置，工作面后退10m設(shè)置泵窩，安設(shè)兩臺(tái)2.2kW潛水泵，進(jìn)行排水，并安排人員進(jìn)行清淤，保證工作面后路暢通。

3)技術(shù)要求：①鉆孔孔徑?94mm，下8m套管并注漿固結(jié)，不漏水漏氣，沖孔采用?43mm鉆桿；②高壓管、鉆桿等接頭必須加裝密封裝置，減少漏水，確保沖孔壓力不小于3MPa；③合理控制排渣壓力，并滿足快速卸壓需要；④孔口防噴裝置完善可靠，涌出瓦斯較大時(shí)，控制沖孔流量，避免瓦斯泄漏超限；⑤建立水力沖孔管理臺(tái)賬，詳細(xì)記錄鉆孔孔號(hào)、班次、見(jiàn)煤深度、穿煤長(zhǎng)度、沖孔壓力、沖孔時(shí)間、排出煤量等參數(shù)，以及排渣操作人員等內(nèi)容。

表3 一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門瓦斯抽放孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.4 預(yù)抽煤層措施效果檢驗(yàn)

工作面在距11煤層法向距離7.5m，完成水力沖孔工作后，在已打的5個(gè)檢驗(yàn)孔基礎(chǔ)上，根據(jù)水力沖孔后實(shí)施情況和效果檢驗(yàn)孔布孔原則再補(bǔ)打5個(gè)檢驗(yàn)孔(檢6—檢10)。采用直接測(cè)定煤層殘余瓦斯壓力進(jìn)行預(yù)抽煤層措施效果檢驗(yàn)，在實(shí)施鉆孔法瓦斯治理措施效果檢驗(yàn)時(shí)，避免與驗(yàn)1—驗(yàn)5相互影響，遠(yuǎn)離周圍的各種鉆孔或盡可能與周圍各種鉆孔保持等距離，分布在工作面各部位的檢驗(yàn)鉆孔布置于所在部位瓦斯治理措施鉆孔密度相對(duì)較小、孔間距相對(duì)較大的位置。區(qū)域瓦斯治理措施效果檢驗(yàn)鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 區(qū)域瓦斯治理措施效果檢驗(yàn)鉆孔參數(shù)表

自2019年1月21日，施工完6號(hào)檢驗(yàn)孔，安裝壓力表測(cè)瓦斯壓力，之后陸續(xù)施工7—10號(hào)檢驗(yàn)孔，截止到2019年2月1日，實(shí)測(cè)瓦斯壓力最高0.06MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯壓力數(shù)據(jù)以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算殘存瓦斯含量結(jié)果，該工作面瓦斯壓力0.06MPa<0.6MPa，殘存瓦斯含量3.19m3/t<6m3/t，該工作面滿足《煤礦安全規(guī)程》、《瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》、《河北省瓦斯綜合治理辦法》的要求。綜上所述，該掘進(jìn)工作面預(yù)抽效果評(píng)判結(jié)果為抽采達(dá)標(biāo)。

2.5 煤體固化

巷道掘至距11煤層法線距離2m時(shí)，停止掘進(jìn)，采用注水泥漿方式對(duì)鉆孔進(jìn)行加固，需注水泥的鉆孔，根據(jù)鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)來(lái)確定，鉆孔位于巷道輪廓線外0.5～2.0m的范圍內(nèi)。煤體固化期間，在巷道四周環(huán)狀固化鉆孔外側(cè)的煤體中，預(yù)抽或排放瓦斯鉆孔自固化作業(yè)到完成揭煤前應(yīng)保持抽采或自然排放狀態(tài)，否則，應(yīng)打一定數(shù)量的排放瓦斯鉆孔。從固化完成到揭煤結(jié)束的時(shí)間超過(guò)5d時(shí)，必須重新進(jìn)行工作面瓦斯治理措施效果檢驗(yàn)。

3 結(jié) 論

從開(kāi)灤礦區(qū)二水平南一采區(qū)運(yùn)輸下山下部石門揭煤施工以來(lái)，嚴(yán)格執(zhí)行石門揭煤綜合瓦斯防治技術(shù)，加強(qiáng)瓦斯管理，通過(guò)瓦斯預(yù)抽、水力沖孔、煤體固化等措施，降低揭煤點(diǎn)及其周圍煤層瓦斯含量，瓦斯壓力降至0.6MPa以下，在此期間無(wú)發(fā)生一次瓦斯高值，每天保證正規(guī)循環(huán)，日進(jìn)尺1.4m，順利實(shí)現(xiàn)了安全揭過(guò)煤，為礦井采掘正常接替提供了有力的保障。