王 林 劉發(fā)義

（1.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南省焦作市，454000；

2.山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048000）

礦井瓦斯災(zāi)害是威脅我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的一大問(wèn)題，根據(jù)國(guó)家瓦斯治理 “先抽后采，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，以風(fēng)定產(chǎn)”的十二字方針，治理礦井瓦斯災(zāi)害的根本在于抽采瓦斯。瓦斯抽采的效果不僅取決于瓦斯含量、透氣性系數(shù)等煤層賦存條件，還取決于抽采方法和鉆孔工藝參數(shù)。目前常用增加煤層透氣性來(lái)提高瓦斯抽采效果的方法主要有水力壓裂、水力割縫等水力化措施以及預(yù)裂爆破等，然而這些措施雖然在本煤層瓦斯預(yù)抽上取得一定的效果，但是由于工藝技術(shù)復(fù)雜，需要專(zhuān)用設(shè)備等原因，應(yīng)用效果不甚理想。為此，趙莊煤礦通過(guò)合理布置鉆孔、優(yōu)化鉆孔參數(shù)、改進(jìn)施工工藝，對(duì)不同抽采模塊進(jìn)行了對(duì)比考察，探索出適合于趙莊煤礦3＃煤層的抽采模塊，確保了安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司 （簡(jiǎn)稱(chēng)趙莊煤業(yè)）位于長(zhǎng)子縣慈林鎮(zhèn)，井田面積約144 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600 萬(wàn)t／a，為高瓦斯礦井。根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院重慶研究院的 《趙莊礦一、三盤(pán)區(qū)3＃煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定報(bào)告》中，一盤(pán)區(qū)3＃煤層透氣性系數(shù)0.21～0.46 m3／ （MPa2·d），原始瓦斯壓力為0.06～0.71 MPa，鉆孔瓦斯流量0.0005～0.0039m3／ （min·hm），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.14～0.39／d，說(shuō)明3＃煤層瓦斯涌出衰減較大，煤層透氣性較差，瓦斯賦存不均衡，存在明顯的區(qū)域性差異。

趙莊煤業(yè)井下煤質(zhì)較軟，透氣性差，地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯賦存不均勻，受到井下煤質(zhì)條件的制約，長(zhǎng)鉆孔施工成孔率和抽采效果均得不到保證，導(dǎo)致煤層瓦斯預(yù)抽比較困難。在1306區(qū)域生產(chǎn)掘進(jìn)期間，由于煤體瓦斯含量高，構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯頻頻超限，嚴(yán)重影響了趙莊煤業(yè)的安全生產(chǎn)。為從根本上解決趙莊的瓦斯問(wèn)題，必須提高本煤層的瓦斯抽采效果。

2 瓦斯抽采模塊優(yōu)化方案

結(jié)合趙莊煤業(yè)實(shí)際煤層地質(zhì)條件，設(shè)置不同類(lèi)型的抽采單元，配合采用有效的封孔方式，通過(guò)對(duì)比煤層殘余瓦斯含量、鉆孔總進(jìn)尺、鉆孔總數(shù)量、瓦斯抽采量防突指標(biāo)K1值、掘進(jìn)日進(jìn)尺及掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛鹊葏?shù)，選取合適的抽采模塊。

2.1 抽采模塊設(shè)置

根據(jù)趙莊煤業(yè)以往的打鉆經(jīng)驗(yàn)，鉆孔長(zhǎng)度在120m 以上時(shí)，鉆孔軌跡易發(fā)生偏移，不易控制終孔位置，并且由于塌孔，導(dǎo)致有效抽采進(jìn)尺短，故設(shè)計(jì)施工70m×45m、100m×45m 的抽采模塊進(jìn)行研究。

（1）方案一：采用70m×45m 抽采模塊，布置三排鉆孔，鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖1所示。三排共施工53 個(gè)鉆孔，排距1 m，距底板1.4 m，孔間距0.8m?？刂魄胺?0m，巷道輪廓線(xiàn)外20m 的范圍，在13072巷道進(jìn)行施工考察。

（2）方案二：采用100 m×45 m 抽采模塊，布置三排鉆孔，鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖2所示。三排共施工53個(gè)鉆孔，排距1m，距底板1.4m，孔間距0.8m?？刂魄胺?00m，巷道輪廓線(xiàn)外20m的范圍，在1101巷道進(jìn)行施工考察。

（3）方案三：采用100 m×45 m 抽采模塊，布置兩排鉆孔，鉆孔施工設(shè)計(jì)如圖3所示。兩排共施工38個(gè)鉆孔，排距1m，距底板1.4m，孔間距0.8m?？刂魄胺?00m，巷道輪廓線(xiàn)外20m的范圍，在西翼帶式輸送機(jī)巷道進(jìn)行施工考察。

2.2 封孔方式

封孔質(zhì)量是影響鉆孔抽采效果的重要指標(biāo)，嚴(yán)密的封孔可以有效保證抽采濃度、流量在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高水平。為了改變趙莊煤礦長(zhǎng)期以來(lái)瓦斯抽采一直處于低濃度、低流量的狀況，選擇 “兩堵一注”的封孔工藝，孔內(nèi)全程下套管，使用QN 水泥和普通水泥混合的水泥漿注漿封孔，漿液凝固后生成對(duì)煤體具有較高黏結(jié)性的有機(jī)塑性體，改善孔壁煤體裂隙環(huán)境，提高煤體完整、均一性，從而達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的。

圖2 100m×45m 抽采模塊三排鉆孔施工設(shè)計(jì)圖

圖3 100m×45m 抽采模塊兩排鉆孔施工設(shè)計(jì)圖

3 瓦斯抽采效果及分析

通過(guò)在13072 巷道、1101 巷道和西翼帶式輸送機(jī)巷的試驗(yàn)考察，詳細(xì)記錄了鉆孔施工以及不同模塊的抽采效果。

（1）在13072巷道6＃橫貫位置掘進(jìn)頭施工鉆孔，共計(jì)施工88個(gè)鉆孔 （包括由于串孔補(bǔ)打的35個(gè)鉆孔），施工進(jìn)尺共計(jì)7261m。鉆孔初始瓦斯?jié)舛冗_(dá)到60%以上，施工鉆孔初期工作面抽采量達(dá)到300 m3／d 以 上，流 量 約 在0.05～0.01 m3／（min·hm），1周后全部下降至0.01m3／ （min·hm）以下，瓦斯?jié)舛认陆抵?0%左右；經(jīng)過(guò)2個(gè)月的瓦斯抽采，抽采量只有30m3／d左右，流量衰減到0.001m3／ （min·hm）以下。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，防突預(yù)測(cè)了13 次，K1達(dá)到0.3mL／ （g·以上的有3次，比例為23%。在割煤期間，工作面推進(jìn)進(jìn)度基本保持在4～5 m／d，工作面瓦斯?jié)舛茸畲?.42% （0.4%以上占17%，0.5%以上占0%），回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲?.6% （0.4%以上占58%，0.5%以上占33%）。

（2）在1101巷5＃橫貫處掘進(jìn)頭施工鉆孔，共計(jì)施工53個(gè)鉆孔，鉆孔總進(jìn)尺為5429m。鉆孔初始瓦斯?jié)舛冗_(dá)到70% 以上，平均瓦斯抽采量578m3／d，平均流量0.007m3／ （min·hm）。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，防突預(yù)測(cè)了18次，K1達(dá)到0.3 mL／ （g·）以上的有4次，比例為22%。在割煤期間，進(jìn)度基本保持在5～6 m／d，工作面瓦斯?jié)舛茸畲?.4% （0.4%以上占5%，0.5%以上占0%），回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲?.52% （0.4%以上占32%，0.5%以上占14%）。

（3）在西翼帶式輸送機(jī)巷施工鉆孔，共計(jì)施工38個(gè)鉆孔，鉆孔總進(jìn)尺為3930m。鉆孔初始瓦斯?jié)舛冗_(dá)到70%以上，平均瓦斯抽采量626 m3／d，平均流量0.011 m3／ （min·hm），煤體瓦斯含量下降到7.9 m3／t。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，防突預(yù)測(cè)了19次，K1達(dá)到0.3mL／ （g·）以上的有7次，比例為39%。在割煤期間，進(jìn)度基本保持在6m／d左右，工作面瓦斯?jié)舛茸畲?.48% （0.4%以上占22%，0.5%以上占0%），回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲?.55% （0.4% 以 上 占45%，0.5% 以 上 占0.15%）。

3種抽采模塊的抽采情況如表1所示。

表1 井下瓦斯抽采模塊抽采情況

由表1可知，采用3種抽采模塊都能夠?qū)⒚簩油咚购拷抵? m3／t以下，能夠滿(mǎn)足防突規(guī)定的要求。并且在掘進(jìn)期間預(yù)測(cè)指標(biāo)K1都不超標(biāo)，風(fēng)流瓦斯?jié)舛纫参闯蕖?/p>

方案一與方案二相比，方案一由于補(bǔ)孔數(shù)量多，鉆孔布置間距近，串孔較多，導(dǎo)致抽采流量、濃度衰減較快，對(duì)煤層的預(yù)抽效果不理想，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度影響較大。方案二在施工過(guò)程中不再進(jìn)行補(bǔ)孔，避免了串孔現(xiàn)象大量發(fā)生，抽采時(shí)間較長(zhǎng)，將瓦斯含量抽采至較低水平。方案二鉆孔進(jìn)尺是方案一的74.8%，百米鉆孔流量是其1.75倍，掘進(jìn)進(jìn)度為5～6m／d，大于方案一。因此，方案二優(yōu)于方案一。

方案二與方案三相比，方案二布置三排鉆孔，方案三布置兩排鉆孔。方案三的鉆孔總進(jìn)尺是方案二的72.4%，而百米鉆孔流量是其1.57倍，而且平均日瓦斯抽采量大于方案二，在巷道掘進(jìn)期間都能保證日進(jìn)尺6 m 左右。在同樣使煤層瓦斯含量降至8 m3／t 的前提下，采用方案三可以減少28.3%的工程量。因此，方案三優(yōu)于方案二。

綜上所述，方案三施工量少，抽采效果好，能夠提高掘進(jìn)日進(jìn)尺，是適合趙莊煤業(yè)的最優(yōu)抽采模塊。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)3種抽采方案的對(duì)比，優(yōu)選出了適合趙莊煤業(yè)的抽采模塊，即100m×45m 抽采模塊，布置兩排共38 個(gè)鉆孔，鉆孔水平間距0.8 m，排距1m。采用此抽采模塊，抽采34d后即可將煤層瓦斯含量降低到8m3／t以下。

（2）采用新型區(qū)域抽采模塊后，杜絕了掘進(jìn)巷道瓦斯超限的問(wèn)題，同時(shí)巷道 掘進(jìn)時(shí)間大大縮短，單月進(jìn)尺平均提高30m，保障了高瓦斯區(qū)域的生產(chǎn)銜接。

（3）減少了鉆孔施工數(shù)量，縮短了施工周期，滿(mǎn)足礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)，緩解煤礦抽、掘、采壓力，具有較好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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