牛福泉

（徐礦集團(tuán)張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221000）

0 引言

瓦斯災(zāi)害是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素之一[1-3]。某礦2 號(hào)煤層瓦斯含量中甲烷成分均高于80%，2#煤層處于甲烷帶，根據(jù)探明資料顯示，該礦屬于高瓦斯礦井，12610 掘進(jìn)工作面范圍瓦斯含量預(yù)測(cè)參數(shù)為5～9 m3/t，采掘過(guò)程中應(yīng)著重測(cè)定12610 掘進(jìn)工作面煤層瓦斯參數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)的工作面瓦斯參數(shù)，采取鉆孔抽采的方法治理瓦斯超限問(wèn)題，保證安全生產(chǎn)。

1 工程概況

工作面所掘煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，掘進(jìn)期間，瓦斯含量：5.5 m3/t；掘進(jìn)施工期間絕對(duì)瓦斯涌出量為：1.2 m3/min；瓦斯壓力：0.36 MPa；煤塵爆炸指數(shù)：32.68%，抑制煤塵爆炸最低巖粉量50%，火焰長(zhǎng)度20 mm；自燃傾向性等級(jí)Ⅱ類，屬自燃煤層，煤層自燃發(fā)火期4 個(gè)月；地溫24.6 ℃，地壓正常。煤層預(yù)抽瓦斯可抽性指標(biāo)，如表1 所示。

表1 2#煤層瓦斯可抽性指標(biāo)

對(duì)照表可知，某礦從鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)和煤層透氣性系數(shù)來(lái)判定屬于可以抽采的煤層，具備進(jìn)行本煤層瓦斯抽采的條件。

2 掘進(jìn)工作面瓦斯治理

2.1 工作面瓦斯超前治理

該工作面埋深低于500 m，煤層堅(jiān)固性系數(shù)大于0.5，因此采用順層條帶鉆孔治理12610 工作面瓦斯能滿足《防突細(xì)則》要求。

2.1.1 預(yù)抽鉆孔

12610 工作面采用在10610 皮帶巷布置順層預(yù)抽鉆孔的方法進(jìn)行瓦斯治理。鉆孔呈高、低鉆孔“三花”布置，鉆孔均垂直于煤壁打設(shè)，鉆孔直徑113 mm，以每施工10 個(gè)鉆孔測(cè)定一個(gè)鉆孔軌跡進(jìn)行分析，保證鉆孔施工質(zhì)量。需根據(jù)鉆孔成孔情況適當(dāng)補(bǔ)打鉆孔，最大限度減少瓦斯抽采的空白帶；為能夠較好把控鉆孔施工質(zhì)量，掌握煤層厚度情況；施工前兩個(gè)鉆孔（1#、2#）以終孔位置至頂、底板為成孔。

2.1.2 水力造穴增透

水力造穴增透機(jī)理為：采用高壓射水流在鉆孔中切割其周圍的煤體，在順層預(yù)抽鉆孔周邊，通過(guò)高壓射水沖擊切割形成具有一定空間區(qū)域，利用高壓射水水流將孔中切割下來(lái)的煤巖沖出孔外?？變?nèi)形成空間，使煤體卸壓。釋放煤體彈性，煤層中的賦存瓦斯被充分釋放，并進(jìn)行抽采，從而降低煤體中賦存瓦斯含量。并提高造穴鉆孔及鄰近抽采鉆孔的瓦斯含量，以提高煤層透氣性，提高低透煤層瓦斯抽采效率，縮短采掘抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，提高回采速度，保障工作面初采安全。設(shè)計(jì)在12610 工作面后500 m 段進(jìn)行水力造穴。

2.2 瓦斯抽采鉆孔參數(shù)確定

鉆孔垂直于巷道施工（鉆孔方位角為209°），在10610 皮帶巷距+1024 水平南翼膠帶輸送機(jī)大巷70 m 處開(kāi)始向12610 工作面施工普通鉆孔，施工長(zhǎng)度580 m。鉆孔間距為2 m，鉆孔深度為60 m。奇數(shù)孔開(kāi)孔高度1.8 m，按-1°施工（鉆孔施工傾角需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整），鉆孔終孔控制距煤層頂板2 m；偶數(shù)孔開(kāi)孔高度1.3 m，鉆孔按-3°施工（鉆孔施工傾角需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整），鉆孔終孔控制距煤層底板1.5 m。設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)為291 個(gè)、鉆孔進(jìn)尺17 460 m。

在10610 皮帶巷距+1024 水平南翼膠帶輸送機(jī)大巷650 米處開(kāi)始向12610 工作面進(jìn)行水力造穴（鉆孔方位角為209°），施工長(zhǎng)度500 m。每6 m 施工一個(gè)水力造穴鉆孔，相鄰兩個(gè)水力造穴鉆孔之間施工兩個(gè)普通鉆孔，水力造穴鉆孔開(kāi)孔高度1.8 m，普通鉆孔開(kāi)孔高度1.3 m，普通鉆孔與造穴鉆孔間距為2 m，普通鉆孔與普通鉆孔間距為2 m，造穴鉆孔深度230 m，普通鉆孔深度為60 m。從孔底開(kāi)始造穴，穴間距為8 m，穴型長(zhǎng)度1 m、直徑0.8 m，每孔造穴24 個(gè)，單穴出煤量為0.7 t，造穴鉆孔按-1°施工，普通孔按-3°施工（鉆孔施工傾角需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整），造穴鉆孔終孔控制距煤層頂板2.5 m，普通鉆孔終孔控制距煤層底板1.5 m，設(shè)計(jì)造穴鉆孔數(shù)為85 個(gè)，普通鉆孔數(shù)為165 個(gè)，鉆孔進(jìn)尺29 450 m。

2.3 鉆孔施工管理

鉆孔施工完畢必須及時(shí)下篩管；使用管徑Φ63 mm的封孔管時(shí)，除鉆孔淺部安裝封孔管外，全孔下篩管；使用管徑Φ75 mm 的封孔管時(shí)，鉆孔全孔下篩管。

鉆孔下封孔管不少于5 根，封孔長(zhǎng)度不少于15 m。采用“兩堵一注”封孔器封孔，囊袋兩端用專用卡箍分別固定不少于兩道，每根封孔管對(duì)接處必須涂抹PVC膠水并用膠帶纏繞不少于三圈。注漿段為直管且長(zhǎng)度不低于12m，管徑Φ63 mm 或Φ75 mm 封孔管，外囊袋距孔口為2.0～2.5 m 之間。順層鉆孔采取分組聯(lián)接方式。

抽采達(dá)標(biāo)后，將管路及其附件進(jìn)行拆除，將鉆孔進(jìn)行封堵。封堵采用封孔水泥全孔注漿。

2.4 施工設(shè)備

2.4.1 抽采設(shè)備

由地面瓦斯抽采泵站高負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯抽采[4]，高負(fù)壓系統(tǒng)配備兩臺(tái)2BEC80 型水環(huán)真空泵（一臺(tái)使用一臺(tái)備用），真空泵電機(jī)功率為800 kW，額定抽氣量為660 m3/min。

2.4.2 管路選型

根據(jù)《礦井抽采設(shè)計(jì)變更》和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用下式計(jì)算d=145.7（Q/v）1/2。式中：d 為抽采瓦斯管內(nèi)徑；Q為瓦斯管中瓦斯流量；V 為瓦斯管中瓦斯平均流速v=5～12 m/s。預(yù)計(jì)高負(fù)壓支管Q 混合量為40 m3/min、流速為8 m/s。由公式計(jì)算得出高負(fù)壓管路內(nèi)徑325 mm。實(shí)際選型為：12610 鄰巷預(yù)抽選用Φ380 mm管滿足要求。

2.5 鉆孔封孔注漿工藝

1）本煤層順層抽采鉆孔封孔采用“兩堵一注”封孔器進(jìn)行封孔注漿，封孔長(zhǎng)度不低于15 m。注漿段為直管且長(zhǎng)度不低于12 m，管徑Φ63 mm 或Φ75 mm 封孔管，外囊袋距孔口為2.0～2.5 m 之間。順層鉆孔采取分組聯(lián)接方式，利用高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行抽采。

2）注漿料和水的比例為1∶1.2，攪拌注漿料2～3 min，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.4 MPa 后或者封孔管內(nèi)開(kāi)始返漿時(shí)停止注漿，觀察注漿壓力表數(shù)值且不在出現(xiàn)壓力明顯下降時(shí)注漿結(jié)束。

3）鉆孔聯(lián)網(wǎng)單孔孔口應(yīng)安裝觀測(cè)孔。

4）抽采管路各類接頭（包括快速接頭、高壓膠管、閥門、匯流管等）必須采用標(biāo)準(zhǔn)件連接。抽采管路上不使用的接口必須及時(shí)加裝標(biāo)準(zhǔn)堵頭，防止漏氣。

5）設(shè)計(jì)每6 個(gè)鉆孔為一組，每組鉆孔應(yīng)集中設(shè)置一個(gè)放水排渣裝置，每10 組安裝一個(gè)負(fù)壓表。

6）每組抽采鉆孔必須成行成排，每個(gè)抽采孔密封管快速接頭必須向下。輔助抽水管必須低于抽水口的水平面，防止積水；合流管必須保持3°傾斜角在一條直線上，所有鉆井抽吸管必須進(jìn)入排渣裝置，然后連接到主排水管。

3 瓦斯抽采效果分析

鉆孔鉆進(jìn)完成后，通過(guò)瓦斯抽放管路進(jìn)行連續(xù)抽采。抽采時(shí)間由2021 年5 月8 日開(kāi)始，12610 皮帶巷瓦斯總管路瓦斯抽采濃度和純流量變化曲線，如圖所示，由圖1 可知，隨著抽采時(shí)間逐步延續(xù)，瓦斯抽采濃度和純流量的變化為增長(zhǎng)—穩(wěn)定—下降，5 月8 日—22 日為增長(zhǎng)階，段瓦斯抽采濃度（瓦斯體積分?jǐn)?shù)，全文相同）由14.2%增長(zhǎng)到16.6%、純流量為3.3 m3/min增長(zhǎng)到3.8 m3/min；5 月23 日—7 月2 日為穩(wěn)定的階段，瓦斯抽采濃度約為13.6%、純流量約為2.4 m3/min；7 月3 日—7 月19 日為降低的階段，瓦斯抽采濃度約為7.1%、純流量約為1.3 m3/min，采空區(qū)的上覆巖層發(fā)生冒落起到關(guān)鍵作用。

圖1 12610 皮帶巷瓦斯總管路瓦斯抽采情況

以6#鉆孔為例，瓦斯抽采濃度和純流量變化，如圖2 所示。增長(zhǎng)階段，煤層頂板裂縫不發(fā)育，采空區(qū)中部的頂板覆巖首先發(fā)生垮落，采空區(qū)兩側(cè)的氣體傳輸能力小于采空區(qū)中部氣體傳輸能力，瓦斯?jié)舛群图兞髁恐刀驾^小低。當(dāng)煤層頂板首次垮落后，二者量值發(fā)生快速增大，瓦斯抽采濃度由7.2%增加到22.4%、純流量由0.6 m3/min 增加到2.4 m3/min；穩(wěn)定階段，煤層頂板發(fā)生周期性的垮落，采空區(qū)兩側(cè)導(dǎo)氣性增強(qiáng)，頂板巖石裂隙擴(kuò)展增大，瓦斯的主要存儲(chǔ)于此，可以進(jìn)行高濃度、高流量瓦斯抽采，瓦斯抽采濃度20.4%以上、純流量分別2.3 m3/min 以上；降低階段，采空區(qū)上覆巖石縫隙閉合并逐漸壓實(shí)，鉆孔瓦斯?jié)舛群图兞髁恐饾u衰減，瓦斯抽采濃度下降約5.6%、純流量約為0.2 m3/min。

圖2 15303 輔助運(yùn)輸順槽6 號(hào)鉆孔瓦斯抽采情況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合某礦12610 工作面頂板的地質(zhì)特征，確定了預(yù)抽鉆孔+水力造穴增透的瓦斯治理方法，12610 工作面回采的期間，抽采瓦斯的流量較大、濃度較高，抽采效果較好，確保工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃谠试S范圍內(nèi)，保證了12610 工作面的安全高效回采，驗(yàn)證了預(yù)抽鉆孔+水力造穴增透的瓦斯技術(shù)在瓦斯治理中的可靠性、有效性。