張時(shí)超 李遠(yuǎn)知 程 坦

（1.盤(pán)江精煤股份有限公司土城礦，貴州 六盤(pán)水 553529；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

土城礦為近距離煤層群開(kāi)采，各煤層均具有突出危險(xiǎn)性，采區(qū)延深工程中石門(mén)數(shù)量多、揭煤次數(shù)多，成為防治煤與瓦斯突出事故的重點(diǎn)。本文以土城礦158 運(yùn)輸石門(mén)及158 回風(fēng)石門(mén)揭煤為研究對(duì)象，深入研究石門(mén)跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突技術(shù)[1-4]，為保證礦井安全生產(chǎn)、防止突出事故發(fā)生提供實(shí)踐參考。

1 工程概況

土城礦含煤地層為二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，屬于薄及中厚煤層為主的近距離煤層群。158 運(yùn)輸石門(mén)及158回風(fēng)石門(mén)為下區(qū)段準(zhǔn)備巷道，掘進(jìn)期間需從煤層底板 揭 露29#、27#、24#、21#、20#、18#、17#、16#、15#、12-2#、12#、6#、5#、3#煤 層，共 計(jì)14 層煤。為保證158 運(yùn)輸石門(mén)及158 回風(fēng)石門(mén)揭煤區(qū)域瓦斯治理工作到位，安全揭露各煤層，通過(guò)上區(qū)段157回風(fēng)石門(mén)施工順層瓦斯抽采鉆孔，進(jìn)行跨區(qū)段消除石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)性?，F(xiàn)157 回風(fēng)石門(mén)為上區(qū)段準(zhǔn)備巷道已揭露至9#煤層，158 運(yùn)輸石門(mén)已揭露21#煤層，距15#煤層175 m，158 回風(fēng)石門(mén)已揭露27#煤層，距15#煤層383 m。

2 石門(mén)跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突技術(shù)

2.1 鉆孔布置參數(shù)計(jì)算

合理的鉆孔布置是確保瓦斯抽采到位、無(wú)抽采盲區(qū)的關(guān)鍵。以煤層瓦斯流動(dòng)理論為基礎(chǔ)，任意時(shí)刻每米鉆孔瓦斯抽采量Q與預(yù)抽周期如下式：

式中：Q0為每米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3；t為預(yù)抽周期，h；α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行積分，可得到抽采70 d 后鉆孔瓦斯累計(jì)抽采量Qt與時(shí)間的關(guān)系如下：

式中：L為鉆孔見(jiàn)煤段長(zhǎng)度，m；ρ為煤體密度，kg/m3；r1為鉆孔半徑，m；r2為有效抽采半徑，m；W為煤層原始瓦斯含量，m3/ t；η為煤層瓦斯抽采率，%。

因鉆孔半徑遠(yuǎn)小于有效抽采半徑，故可得有效鉆孔半徑影響范圍：

由計(jì)算可知預(yù)抽70 d 時(shí)鉆孔有效影響半徑可達(dá)3.0 m 左右。

2.2 順層長(zhǎng)鉆孔跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯

近距離煤層群相鄰區(qū)段石門(mén)揭露相同煤層時(shí)，采用已揭露完畢的石門(mén)沿煤層傾向施工順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽相鄰區(qū)段石門(mén)揭煤區(qū)域瓦斯，通過(guò)施工密集的抽采鉆孔使煤體形成局部卸壓，在預(yù)抽煤層瓦斯作用下降低其瓦斯壓力與瓦斯含量，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)撃軠p弱、地應(yīng)力下降，并使揭煤區(qū)域煤層堅(jiān)固性系數(shù)增加，達(dá)到消除突出危險(xiǎn)性的目的[5-6]。

通過(guò)157 回風(fēng)石門(mén)揭露15#煤層位置施工順層長(zhǎng)鉆孔跨區(qū)段預(yù)抽158 運(yùn)輸石門(mén)、158 回風(fēng)石門(mén)揭煤區(qū)域瓦斯，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對(duì)采用井下預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施要求，抽采鉆孔最小控制范圍是石門(mén)揭煤處巷道輪廓線外左右及上下方至少15 m（見(jiàn)煤點(diǎn)）[7]。因兩條石門(mén)距離較近且揭煤預(yù)抽瓦斯區(qū)域存在重疊部分，為減少鉆孔施工工程量及后期回采巷道布置期間的瓦斯治理，綜合考慮將兩條石門(mén)揭煤瓦斯抽采區(qū)域合并為一個(gè)較大范圍的抽采區(qū)域，在157 回風(fēng)石門(mén)揭露15#煤層位置處兩側(cè)施工1#、2#鉆場(chǎng)。以上述鉆孔預(yù)抽70 d 時(shí)的有效影響半徑為鉆孔布置依據(jù)，呈扇形均勻布置，控制157 石門(mén)揭煤傾向區(qū)域。采用的鉆孔直徑為94 mm，共計(jì)15 個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔設(shè)計(jì)如圖1。

2.3 精準(zhǔn)控制揭煤區(qū)域瓦斯抽采范圍

保證鉆孔施工質(zhì)量、精準(zhǔn)控制瓦斯抽采范圍是實(shí)現(xiàn)跨區(qū)段石門(mén)揭煤區(qū)域消除突出危險(xiǎn)性的關(guān)鍵。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)、施工難度及現(xiàn)有技術(shù)裝備水平，鉆孔施工采用ZDY10000SWL 型大功率、大扭矩鉆機(jī)配合ZXC1000 型鉆孔測(cè)斜儀，進(jìn)行開(kāi)孔定位，并在鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)記錄鉆孔軌跡測(cè)斜數(shù)據(jù)，為鉆孔成孔質(zhì)量、精準(zhǔn)控制預(yù)抽瓦斯范圍合理性提供依據(jù)。通過(guò)鉆孔完成圖顯示，瓦斯預(yù)抽范圍完全覆蓋158 回風(fēng)石門(mén)、158 運(yùn)輸石門(mén)揭15#煤區(qū)域。通過(guò)ZXC1000 礦用鉆孔測(cè)斜儀測(cè)量，各鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

圖1 跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)圖

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 瓦斯治理效果分析

3.1 瓦斯抽采效果及突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2020 年6 月12 日在157 回風(fēng)石門(mén)鉆場(chǎng)施工8#鉆孔時(shí)，對(duì)下區(qū)段揭煤區(qū)域15#煤層原始瓦斯參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，其原始瓦斯含量為8.929 8 m3/t，原始瓦斯壓力為1.21 MPa。截至6 月29 日8 點(diǎn)班完成設(shè)計(jì)鉆孔施工及封抽工作。1#、2#鉆場(chǎng)預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯情況如圖2。

表2 鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表

圖2 瓦斯抽放量統(tǒng)計(jì)圖

從圖2 可知，從7 月1 日至9 月26 日157 回風(fēng)石門(mén)1#、2#鉆場(chǎng)瓦斯抽采時(shí)間為88 d，抽采初期兩鉆場(chǎng)內(nèi)抽采主管路瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)迅速降低趨勢(shì)，至抽采45 d 時(shí)主管濃度下降至11%左右，瓦斯抽采量仍達(dá)到1137 m3/d，保持較高的抽采水平；至抽采75 d 時(shí)，瓦斯抽采量及抽采濃度下降幅度變緩；至抽采88 d 時(shí)，主管瓦斯?jié)舛冉抵?%，瓦斯預(yù)抽基本結(jié)束。累計(jì)瓦斯抽采量為176 702 m3，瓦斯預(yù)抽率達(dá)58.2%，預(yù)抽區(qū)域煤層殘余瓦斯含量為3.730 2 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.152 MPa，達(dá)到《瓦斯預(yù)抽消突效果評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（NB/T51006-2012）對(duì)殘余瓦斯含量8 m3/t（構(gòu)造帶6 m3/t）、殘余瓦斯壓力0.74 MPa 的抽采瓦斯效果評(píng)判指標(biāo)要求。

石門(mén)揭煤期間在158 運(yùn)輸石門(mén)巷道正前方及其上、下、左、右各施工了1 個(gè)效果檢驗(yàn)孔，經(jīng)實(shí)測(cè)該揭煤區(qū)域殘余瓦斯含量最大值為4.198 9 m3/t，下降幅度為53%，殘余瓦斯壓力0.214 MPa，下降幅度為82%，消突效果達(dá)標(biāo)。

3.2 效果分析

石門(mén)跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯實(shí)現(xiàn)順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽范圍覆蓋158 運(yùn)輸石門(mén)揭煤區(qū)域，使其煤層瓦斯含量及瓦斯壓力由8.929 8 m3/t、1.21 MPa 降至4.198 9 m3/t、0.214 MPa，消除石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)性，與157 回風(fēng)石門(mén)揭15#煤層相比，瓦斯預(yù)抽率提高13.2%，瓦斯預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)由27.4%降至11.2%。自與煤層法向距離10 m 至揭煤結(jié)束期間，掘進(jìn)工程量30.6 m，施工時(shí)間14.5 d，縮短23 d，石門(mén)揭煤期間掘進(jìn)速率提升61.3%。

4 總結(jié)

（1）石門(mén)跨區(qū)段預(yù)抽揭煤區(qū)域鉆孔利用率提高，同時(shí)消除多條石門(mén)揭煤突出危險(xiǎn)性，且為后期相應(yīng)聯(lián)絡(luò)巷道布置提供超前瓦斯治理，降低后續(xù)瓦斯治理難度。

（2）與施工穿層鉆孔作為區(qū)域防突措施相比，避免了工作面前方處于應(yīng)力集中和高瓦斯?fàn)顟B(tài)，充分利用瓦斯治理空間，減少對(duì)巷道施工進(jìn)度的影響。

（3）采用高功率、大扭矩鉆機(jī)配合鉆孔測(cè)斜儀施工順層長(zhǎng)距離鉆孔，是精準(zhǔn)掌握跨區(qū)段預(yù)抽石門(mén)揭煤區(qū)域瓦斯的有效方法，保證了揭煤區(qū)域瓦斯治理效果。

（4）實(shí)施石門(mén)跨區(qū)段揭煤精準(zhǔn)消突過(guò)程中，未詳細(xì)分析瓦斯徑向流動(dòng)及鉆孔瓦斯流量衰減影響，導(dǎo)致揭煤區(qū)域煤層殘余瓦斯含量、瓦斯壓力與計(jì)算值偏差較大，該問(wèn)題將作為后續(xù)研究重點(diǎn)。