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）

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及經(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，煤層的透氣性在地應(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[3-7]。目前國內(nèi)部分有條件礦井已經(jīng)開展了煤層定向預(yù)裂爆破、水利割縫、水利壓裂和水利沖孔等煤層增滲增透措施；并取得不錯(cuò)的效果[8-11]。但由于經(jīng)濟(jì)狀況、技術(shù)裝備及瓦斯賦存等條件的限制，大部分礦井還采用傳統(tǒng)的“耳朵鉆場+迎頭抽采”的掘進(jìn)工作面瓦斯治理模式，在透氣性不佳的礦井采用此方法，鉆孔深部區(qū)域瓦斯抽采效果不佳。煤巷掘進(jìn)已經(jīng)嚴(yán)重制約礦井的安全高效生產(chǎn)。為此，在現(xiàn)有煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯治理模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井生產(chǎn)情況，摸清礦井煤層瓦斯賦存規(guī)律及作業(yè)工序，開展煤巷掘進(jìn)工作面短鉆孔快速抽采工藝研究。

1 掘進(jìn)面瓦斯治理現(xiàn)狀及瓦斯來源

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 4.49～7.17 m，平均厚5.65 m，井田內(nèi)3 號煤層?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（平均厚度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) 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△p 為 12～18 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa），煤的堅(jiān)固性系數(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(gè)循環(huán)，每天進(jìn)尺4～6 m，平均進(jìn)尺5 m，月平均進(jìn)尺150～170 m。目前掘進(jìn)面均采用先探后抽再掘的方式（“耳朵鉆場+迎頭抽采方式”），抽采達(dá)標(biāo)后再掘進(jìn)[12]。煤巷掘進(jìn)工作面迎頭瓦斯抽采示意圖如圖1。

圖1 煤巷掘進(jìn)工作面迎頭瓦斯抽采示意圖Fig.1 Schematic diagram of head-on gas drainage in coal roadway driving face

由于掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度快，煤層瓦斯釋放速度快，同時(shí)煤巷暴露距離長，暴露面積大，導(dǎo)致掘進(jìn)面回風(fēng)流存在超限的風(fēng)險(xiǎn)，煤巷掘進(jìn)速度較慢，嚴(yán)重影響礦井采掘銜接及安全高效生產(chǎn)。

1.2 掘進(jìn)期間瓦斯來源

礦井主采3 號煤層，3 號煤層為單一厚煤層，煤層平均厚度5.65 m，從礦井瓦斯涌出特征來看，采掘面瓦斯主要來自本煤層；對礦井煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯涌出情況進(jìn)行分析，巷道正常掘進(jìn)時(shí)，其回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔▌虞^大，回風(fēng)流檢修班瓦斯?jié)舛纫话阍?0.3%～0.5%之間，平均 0.35%；回風(fēng)流生產(chǎn)班瓦斯?jié)舛纫话阍?0.5%～0.8%之間，平均 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)流瓦斯近55%～60%。

2 短鉆孔快速抽采原理

目前在高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)過程中，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、低透氣性煤層掘進(jìn)，抽采時(shí)間長、抽采效果不佳，不利于礦井正常采掘銜接，同時(shí)造成掘進(jìn)人員的浪費(fèi)。掘進(jìn)工作面短鉆孔快速抽采工藝是利用檢修班時(shí)間采用快速封孔、接抽的方式抽采掘進(jìn)面瓦斯，盡最大可能降低掘進(jìn)區(qū)域瓦斯，減少掘進(jìn)過程中工作面瓦斯涌出，減輕礦井通風(fēng)壓力，從而提高煤巷掘進(jìn)速度的方法。

首先在掘進(jìn)迎頭采用手持式防突鉆機(jī)快速施工多個(gè)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)長度約為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2～3 m；最后進(jìn)行快速接抽，利用1 個(gè)檢修班的時(shí)間進(jìn)行瓦斯卸壓抽采，在瓦斯異常增大區(qū)域，可以適當(dāng)延長抽采時(shí)間，保障掘進(jìn)安全。

短鉆孔快速抽采控制掘進(jìn)迎頭距離短，控制區(qū)域范圍廣，鉆孔利用率高；而且采用專用的短鉆孔封孔器，接抽方式方便快捷。短時(shí)間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)，更加安全高效的治理高瓦斯掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流瓦斯超限問題。短鉆孔快速抽采示意圖如圖2。

圖2 短孔快速抽采示意圖Fig.2 Schematic diagram of short hole rapid extraction

3 短鉆孔快速抽采設(shè)計(jì)方案

3.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

短鉆孔快速抽采試驗(yàn)位置位于霍爾辛赫煤礦3605 回風(fēng)巷內(nèi)，回風(fēng)巷布置在3 號煤層中，煤層厚度為 5.3～5.9 m，傾角為 0°～5°，平均 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。沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面4.8 m×3.3 m。巷道在東回風(fēng)大巷開口，由西向東掘進(jìn)，掘進(jìn)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)瓦斯涌出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，巷道正常掘進(jìn)時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.53%～0.79%，工作面瓦斯?jié)舛葹?0.33%～0.44%。

3.2 鉆孔施工及連接

1）鉆孔施工方法。利用下班交接時(shí)間，采用防突鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面迎頭施工短鉆孔（孔徑75 mm，孔深12 m），短鉆孔按2 排布置，上排鉆孔距離底板2 m 位置，下排鉆孔距底板1.2 m；每排布置4 個(gè)抽采鉆孔，單排鉆孔間距0.9 m，鉆孔投影間距0.45 m；鉆孔開孔高度1.2、2 m。短鉆孔施工參數(shù)布置平面、剖面示意圖如圖3。

圖3 短鉆孔施工參數(shù)布置示意圖Fig.3 Diagram of short borehole construction parameter layout

2）鉆孔封孔及接抽。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(shí)間為4～6 h 或者更長?？焖俪椴摄@孔有效鉆孔較短，抽采時(shí)間不長，抽采流量不大；采用DN75 的匯流管連接8 個(gè)鉆孔，匯流管末端安裝導(dǎo)流管；設(shè)計(jì)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(gè)匯流管負(fù)擔(dān)的鉆孔數(shù)量。

鉆孔接抽以后技術(shù)人員每天對匯流管抽采的濃度、流量、負(fù)壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。

4 短鉆孔應(yīng)用效果

4.1 抽采效果

短鉆孔試驗(yàn)期間（試驗(yàn)10 d），掘進(jìn)面抽采總混合瓦斯量 1.89～3.08 m3/min，平均 2.33 m3/min；抽采濃度 8.78%～15.56%，平均抽采濃度 11.90%；抽采純瓦斯量 0.24～0.31 m3/min，平均抽采純瓦斯量 0.27 m3/min，鉆孔抽采時(shí)間為 4～5.5 h，平均 5 h；單日 1個(gè)循環(huán)抽采總瓦斯純量約 69.10～96.54 m3，單日平均抽采總純量80.32 m3。試驗(yàn)鉆孔抽采效果見表1。

表1 試驗(yàn)鉆孔抽采效果表Table 1 Test borehole extraction effect

抽采區(qū)域內(nèi)煤層儲量209.8 t，瓦斯含量8 m3/t，鉆孔控制范圍內(nèi)煤層瓦斯儲量1 678.4 m3，試驗(yàn)期間，單日平均抽采總純量約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。

從每分鐘瓦斯抽采純量、抽采濃度及抽采總量看，鉆孔抽采效果較好，由于抽采時(shí)間較短，總瓦斯抽采量偏低，鉆孔瓦斯抽采量及濃度衰減并不明顯。

4.2 掘進(jìn)期間工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?/h3>

對試驗(yàn)前后掘進(jìn)工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确植记闆r及每班工作面進(jìn)尺分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。掘進(jìn)期間工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆r見表2。

表2 掘進(jìn)期間工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹闆rTable 2 Gas concentration of working face and return air flow during driving

5 月21 日至5 月30 日，未采取短鉆孔抽采措施前，日平均進(jìn)尺約5.7 m，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.73%，工作面平均瓦斯?jié)舛?.39%。6 月1 日至6月10 日，快速封孔試驗(yàn)期間，日平均進(jìn)尺約8.5 m，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.63%，工作面平均瓦斯?jié)舛?.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?jié)舛染陆?.1%，瓦斯?jié)舛认陆得黠@。掘進(jìn)工作面使用短鉆孔前后瓦斯?jié)舛葘Ρ热鐖D4。

圖4 掘進(jìn)工作面使用短鉆孔前后瓦斯?jié)舛葘Ρ菷ig.4 Comparison of gas concentration before and after short drilling in driving working face

4.3 掘進(jìn)速度

短鉆孔快速抽采的煤巷累計(jì)月進(jìn)尺250 m，掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.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)工程中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.79%。相比傳統(tǒng)抽采達(dá)標(biāo)后直接掘進(jìn)，短鉆孔快速抽采方法將部分瓦斯從抽采系統(tǒng)中抽走，減小長距離掘進(jìn)煤巷通風(fēng)壓力，煤巷掘進(jìn)速度提高了近50%。

5 結(jié) 語

煤巷掘進(jìn)工作面短孔快速抽采工藝從時(shí)間和空間上克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，通過利用檢修班時(shí)間將掘進(jìn)面瓦斯抽采由長距離長時(shí)間變?yōu)槎叹嚯x短時(shí)間的高效抽采，從而提高掘進(jìn)效率。煤巷掘進(jìn)面短鉆孔快速抽采技術(shù)通過在山西霍爾辛赫煤礦3605 回風(fēng)巷的應(yīng)用，抽采效果明顯，煤巷掘進(jìn)月累計(jì)進(jìn)尺由170 m 提高到250 m，提高近50%。短鉆孔快速抽采技術(shù)，在高瓦斯低透氣性煤層取得良好的應(yīng)用效果，同時(shí)為其大范圍推廣應(yīng)用提供了參考。