向真才

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037)

0 引言

礦井瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素之一，瓦斯問題一直以來都是制約礦井生產(chǎn)能力和影響礦井安全、經(jīng)濟(jì)效益的重大問題[1-2]。隨著礦井開拓區(qū)域向深部延伸，煤層透氣性在地應(yīng)力影響下越來越差，煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯抽采效果不佳，瓦斯異常涌出日益頻繁[3-5]。隨著礦井機(jī)械化水平的提高，設(shè)計(jì)工作面巷道較長，多數(shù)礦井面臨長距離掘進(jìn)工作面瓦斯治理問題[6-8]。目前，在高瓦斯煤巷長距離掘進(jìn)工作面常采用加大掘進(jìn)工作面風(fēng)量、加強(qiáng)掘進(jìn)前瓦斯預(yù)抽或排放、對巷道煤壁進(jìn)行噴漿處理及嚴(yán)控掘進(jìn)期間割煤工藝及速度等瓦斯治理措施。但以上措施大大增加了成本，降低了煤巷掘進(jìn)速度[9-14]。為此，本文通過分析山西霍爾辛赫煤礦長距離掘進(jìn)工作面瓦斯涌出來源，采用短鉆孔快速抽采工藝，利用檢修班時間，通過短時間、高強(qiáng)度抽采小范圍瓦斯，減小掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流通風(fēng)壓力，提高掘進(jìn)速度，保證安全生產(chǎn)，為解決高瓦斯礦井長距離掘進(jìn)工作面的瓦斯治理難題提供了新思路。

1 掘進(jìn)工作面瓦斯治理現(xiàn)狀及瓦斯來源分析

1.1 掘進(jìn)工作面瓦斯治理現(xiàn)狀

霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，主采3號煤層。該煤層位于山西組下部，煤層厚度為4.49～7.17 m，平均厚度為5.65 m；煤層?xùn)|厚西薄，含泥巖、灰質(zhì)泥巖夾矸0～2層，一般1層，距底板約0.78 m左右較為穩(wěn)定，平均夾矸厚度為0.30 m。3號煤層瓦斯含量為7～14 m3/t；鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.086 1～0.416 1 d-1，透氣性系數(shù)為0.091 4～0.193 6 m2/(MPa2·d)；瓦斯放散初速度ΔP為12～18，煤的普氏系數(shù)為0.46～0.47，孔隙率為2.13%～3.04%。

礦井煤巷均沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面尺寸為4.8 m×3.3 m，采用綜掘工藝，全斷面一次掘進(jìn)，生產(chǎn)班采用“一掘一支”施工方式，每班掘進(jìn)2～4個循環(huán)，每天進(jìn)尺為4～6 m，平均進(jìn)尺為5 m，月平均進(jìn)尺為150～170 m。目前掘進(jìn)工作面均采用先探后抽再掘的方式(“耳朵鉆場+掘進(jìn)工作面抽采方式”)，抽采達(dá)到《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求后再掘進(jìn)。掘進(jìn)工作面瓦斯抽采如圖1所示。

1.2 掘進(jìn)期間瓦斯來源分析

3號煤層為單一厚煤層，從礦井瓦斯涌出特征來看，掘進(jìn)工作面瓦斯主要來自本煤層。巷道正常掘進(jìn)時，其回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)波動較大，回風(fēng)流檢修班瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般為0.3%～0.5%，平均為0.35%；回風(fēng)流生產(chǎn)班瓦斯體積分?jǐn)?shù)一般為0.5%～0.8%，平均為0.65%。由于巷道較長，煤壁暴露面積大，煤壁瓦斯涌出占回風(fēng)流瓦斯55%～60%。

圖1 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采Fig.1 Gas drainage on excavation face

2 短鉆孔快速抽采原理

目前，瓦斯抽采是影響掘進(jìn)進(jìn)尺的最主要因素，尤其是高瓦斯、低透氣性煤層煤巷掘進(jìn)，瓦斯抽采時間長、抽采效果不佳，不利于礦井正常采掘銜接。掘進(jìn)工作面短鉆孔快速抽采工藝是指利用一個檢修班時間，采用快速施工鉆孔、速封及接抽的方式抽采掘進(jìn)工作面瓦斯，盡最大能力降低掘進(jìn)區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)，降低掘進(jìn)過程中的瓦斯涌出量，減輕礦井通風(fēng)壓力，從而提高煤巷掘進(jìn)速度。

首先在掘進(jìn)工作面采用手持式防突鉆機(jī)快速施工多個短鉆孔，短鉆孔在煤層內(nèi)呈橫向等距或縱向交叉分布，短鉆孔設(shè)計(jì)長度為12～15 m。隨后采用可循環(huán)利用的快速封孔器進(jìn)行封孔，封孔長度為2～3 m。最后進(jìn)行快速接抽，利用一個檢修班的時間進(jìn)行瓦斯卸壓抽采，在瓦斯體積分?jǐn)?shù)異常增大區(qū)域，可以適當(dāng)延長抽采時間，保障掘進(jìn)安全。

短鉆孔快速抽采工藝的優(yōu)點(diǎn)：控制距離短，控制區(qū)域范圍廣，鉆孔利用率高；采用專用的短鉆孔封孔器，接抽方式方便快捷；可在短時間內(nèi)將瓦斯從抽采管道抽走，降低礦井通風(fēng)壓力，提高掘進(jìn)速度；特別適用于高瓦斯低透氣性煤層掘進(jìn)工作面高效抽采和快速掘進(jìn)，可更加安全高效地治理高瓦斯掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流瓦斯超限問題。短鉆孔抽采如圖2所示。

圖2 短鉆孔快速抽采Fig.2 Short-drilling rapid drainage

3 短鉆孔快速抽采設(shè)計(jì)方案

短鉆孔快速抽采試驗(yàn)位置位于霍爾辛赫煤礦3號煤層3605回風(fēng)巷內(nèi)，煤層厚度為5.3～5.9 m，傾角為0～5°，平均為2.5°。從地質(zhì)超前探孔探測情況來看，該巷道掘進(jìn)區(qū)域無較大地質(zhì)構(gòu)造。巷道在東回風(fēng)大巷開口，由西向東掘進(jìn)，掘進(jìn)工作面瓦斯主要來自本煤層。原煤瓦斯含量達(dá)到10～13 m3/t。抽采達(dá)標(biāo)后，對掘進(jìn)瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，巷道正常掘進(jìn)時，回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.53%～0.79%，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.33%～0.44%。

利用生產(chǎn)班下班交接時間，采用防突鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面施工短鉆孔(孔徑75 mm，孔深12 m)。短鉆孔按2排布置，上排鉆孔距底板2 m，下排鉆孔距底板1.2 m。每排布置4個抽采鉆孔，單排鉆孔間距為0.9 m，鉆孔投影間距為0.45 m；鉆孔開孔高度為1.2，2 m。鉆孔布置如圖3所示，鉆孔參數(shù)見表1。

(a) A-A

(b) A-A剖面

表1 快速抽采短鉆孔施工參數(shù)
Table 1 Construction parameters of short-drillings for rapid extraction

編號開孔與巷道底板距離/m開孔與左巷幫距離/m鉆孔與掘進(jìn)工作面夾角/(°)鉆孔施工長度/m鉆孔傾角/(°)上120.459012煤層傾角上221.359012煤層傾角上322.259012煤層傾角上423.159012煤層傾角下11.20.99012煤層傾角下21.21.89012煤層傾角下31.22.79012煤層傾角下41.23.69012煤層傾角

已施工的抽采鉆孔采用可循環(huán)利用的快速封孔器進(jìn)行封孔。鉆孔接抽時間為4～6 h或者更長。由于有效鉆孔較短，抽采時間不長，所以抽采流量不大。采用DN75匯流管連接8個鉆孔，匯流管末端安裝導(dǎo)流管。鉆孔較多區(qū)域或者抽采量較大區(qū)域可考慮增加匯流管數(shù)量，減少每個匯流管負(fù)擔(dān)的鉆孔數(shù)量。鉆孔接抽后，每天對匯流管抽采的體積分?jǐn)?shù)、流量、負(fù)壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時觀測。

4 短鉆孔應(yīng)用效果分析

4.1 抽采效果分析

短鉆孔試驗(yàn)期間(試驗(yàn)時間為10 d)，掘進(jìn)工作面抽采總混合瓦斯量為1.89～3.08 m3/min，平均為2.33 m3/min；抽采體積分?jǐn)?shù)為8.78%～15.56%，平均為11.90%；瓦斯抽采純量為0.24～0.31 m3/min，平均為0.27 m3/min；鉆孔抽采時間為4～5.5 h，平均為5 h；單日一個循環(huán)抽采總瓦斯純量為69.10～96.54 m3，單日平均抽采總瓦斯純量為80.32 m3。具體抽采效果見表2。

抽采區(qū)域內(nèi)煤層儲量為209.8 t，瓦斯含量按8 m3/t計(jì)算，鉆孔控制范圍內(nèi)煤層瓦斯儲量為1 678.4 m3。試驗(yàn)期間，單日平均抽采總純量約為80.32 m3/min，抽采瓦斯量占瓦斯儲量的4.78%，抽采區(qū)域瓦斯含量下降約0.38 m3/t。

從瓦斯抽采純量、抽采體積分?jǐn)?shù)及抽采總量看，鉆孔抽采效果較好。由于抽采時間較短，總瓦斯抽采量偏低，鉆孔瓦斯抽采量及體積分?jǐn)?shù)衰減并不明顯。

4.2 掘進(jìn)期間工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)分析

為了驗(yàn)證快速封孔試驗(yàn)效果，對試驗(yàn)前后掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布情況及每班工作面進(jìn)尺分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

2019年5月21—30日，未采取短鉆孔抽采措施時，日平均進(jìn)尺約為5.7 m，回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.73%，工作面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.39%。6月1—10日，快速封孔試驗(yàn)期間，日平均進(jìn)尺約為8.5 m，回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.63%，工作面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.29%。不考慮風(fēng)量大小及煤壁瓦斯涌出等因素影響，采用短鉆孔快速抽采前后，在日進(jìn)尺提高2.8 m前提下，工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)均下降0.1%，瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降明顯。試驗(yàn)前后工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化及對比如圖4所示。

根據(jù)生產(chǎn)班掘進(jìn)進(jìn)尺及瓦斯探頭監(jiān)測數(shù)據(jù)，試驗(yàn)快速封孔期間，工作面瓦斯涌出不均勻，工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)下降明顯。

表2 試驗(yàn)鉆孔抽采效果Table 2 Drainage effect of test drillings

表3 掘進(jìn)期間工作面及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)Table 3 Gas volume fraction in return air flow and working face during excavation

圖4 掘進(jìn)工作面使用短鉆孔前后瓦斯體積分?jǐn)?shù)對比Fig.4 Comparison of gas volume fractions before and after using short-drillings on excavation face

4.3 掘進(jìn)速度分析

實(shí)施短鉆孔快速抽采的煤巷累計(jì)月進(jìn)尺約為250 m，工作面掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.7%以下。而未進(jìn)行短鉆孔快速抽采的煤巷累計(jì)月進(jìn)尺約為170 m，且在掘進(jìn)過程中回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.79%。相比傳統(tǒng)抽采達(dá)標(biāo)后直接掘進(jìn)的方法，短鉆孔快速抽采方法將部分瓦斯從抽采系統(tǒng)中抽走，減小了長距離掘進(jìn)煤巷通風(fēng)壓力，使煤巷掘進(jìn)速度提高了近50%。

4.4 對比分析

結(jié)合在主運(yùn)大巷進(jìn)行的定向鉆孔(400 m)抽采試驗(yàn)效果及3605運(yùn)輸巷普通鉆孔(120 m)抽采效果進(jìn)行對比分析。這2個區(qū)域瓦斯體積分?jǐn)?shù)與煤層賦存均類似，普通鉆孔需4個循環(huán)，定向鉆孔需要1個循環(huán)。對比掘進(jìn)總時間及掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)情況，結(jié)果見表4。

表4 各掘進(jìn)工藝效果對比Table 4 Comparison of effects of different excavation methods

采用傳統(tǒng)的掘進(jìn)工藝時，掘進(jìn)期間上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)居高不下，采用定向鉆孔抽采效果最佳，但定向鉆孔抽采成本比普通抽采方式高出4～5倍。采用定向鉆孔、傳統(tǒng)+短鉆孔方式掘進(jìn)時回風(fēng)流體積分?jǐn)?shù)均在0.7%以下，總掘進(jìn)時間比傳統(tǒng)方式減少20～30 d。在目前的瓦斯災(zāi)害條件下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)投入與掘進(jìn)效率，采用普通鉆孔+短鉆孔快速抽采方式是可取的。

5 結(jié)語

掘進(jìn)工作面短鉆孔快速抽采工藝從時間和空間上克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過利用檢修班時間將掘進(jìn)工作面瓦斯抽采由長距離長時間變?yōu)槎叹嚯x短時間的高效抽采，降低了長距離掘進(jìn)工作面通風(fēng)壓力，從而提高了掘進(jìn)效率。在山西霍爾辛赫煤礦3605回風(fēng)巷的應(yīng)用結(jié)果表明，掘進(jìn)工作面短鉆孔快速抽采技術(shù)抽采效果明顯，煤巷掘進(jìn)月累計(jì)進(jìn)尺由170 m提高到了250 m，提高了近50%。短鉆孔快速抽采技術(shù)在長距離掘進(jìn)工作面取得了良好的應(yīng)用效果，為其大范圍推廣應(yīng)用提供了參考。