吳錦旗

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214)

突出礦井區(qū)域防突措施主要包括開采保護層和預抽煤層瓦斯。受我國突出煤層賦存條件限制，開采保護層措施僅在30%的礦區(qū)使用。根據要求，我國所有突出礦井和高瓦斯礦井均需要采取瓦斯抽采措施。王兆豐等[1]研究了我國瓦斯抽采存在的問題和對策，認為合理封孔深度和封孔質量是決定預抽瓦斯效果的重要因素。劉軍等[2-6]通過巷幫泄壓帶理論分析、鉆屑量現場測試等手段綜合確定穿層鉆孔、順層鉆孔的合理封孔長度。王松等[7-8]認為煤層巷道“三帶”分布特征是影響抽采鉆孔封孔深度的重要因素，通過理論、現場測試確定了合理封孔深度。

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號煤層為單一可采煤層，原始瓦斯含量為15～26 m3/t，原始瓦斯壓力1.02～1.86 MPa，突出危險性嚴重，預抽煤層瓦斯是唯一可采取的區(qū)域防突措施。因此，確定適合玉溪煤礦地質條件的合理封孔深度成為影響瓦斯抽采效果的重要因素。

1 煤層巷道圍巖“三帶”理論

煤巖體受采掘空間破壞的影響，其原始應力平衡狀態(tài)被破壞，內部應力重新分布，造成煤巖體發(fā)生破裂變形，這種破壞逐步向深部擴展，形成巷道圍巖松動圈，隨著深度增加直到達到新的三向應力平衡狀態(tài)為止，這時由外到內依次形成卸壓帶、應力集中帶和原始應力帶(簡稱為巷道“三帶”)，如圖1所示。

圖1 巷道前方應力帶分布示意圖Fig.1 Distribution of stress zone in front of roadway

巷道周邊“三帶”范圍大小是影響巷道支護、瓦斯抽采鉆孔封孔深度的重要參數。抽采鉆孔合理封孔深度的確定需分析巷道“三帶”分布以及鉆孔周圍煤體結構的特點。在實際生產中，如果鉆孔的封孔深度沒有超過巷幫的應力集中范圍，一是該區(qū)域煤體極為破碎，在抽采負壓作用下，裂隙會成為導通外界空氣與抽采管路的通道，大量的抽空導致鉆孔抽采效率極低，抽采濃度較小，影響瓦斯抽采效率；二是鉆孔在應力集中區(qū)域極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，孔壁因為失穩(wěn)破壞所形成的煤體顆粒較大，是鉆孔堵塞和破壞最為嚴重的區(qū)域。如果在實際生產過程中，封孔深度超過巷幫應力集中區(qū)范圍，不僅有效防止該區(qū)域裂隙發(fā)育，溝通外界空氣與抽采管路，阻斷鉆孔瓦斯抽采泄漏通道，提升瓦斯抽采效率；同時有效的封孔對鉆孔孔壁提供了支撐，形成一道應力支撐，成為保護鉆孔的屏障，但是封孔深度過深，會造成人力和材料浪費以及封孔成本的增加，也會造成巷道周圍煤體瓦斯抽采空白帶增加，留下安全隱患。

因此，瓦斯抽采鉆孔封孔的深度應進入集中應力帶，大于集中壓力的峰值。

2 試用礦井抽采概況及存在問題

2.1 礦井瓦斯抽采現狀

玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采3號煤層透氣性系數為0.134～0.26 m2/(MPa2·d)，屬于可以抽采煤層。該礦采用穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯、定向長鉆孔預抽條帶、區(qū)段煤層瓦斯的方法作為區(qū)域綜合防突措施，分別對煤層巷道、接替工作面及回采工作面進行區(qū)域消突。

順層鉆孔采用“兩堵一注”的封孔方式，封孔長度為9 m，封孔時，在封孔管上孔口及距孔底0.5 m位置各綁扎一個囊袋；封孔注漿時先向囊袋內注漿，使囊袋鼓起后，中部爆破閥在0.5 MPa壓力時破裂開始向中部注漿。該礦采用先封孔再施鉆的工藝，如圖2所示。

圖2 順層鉆孔封孔示意圖Fig.2 Schematic diagram of borehole sealing along the formation

該礦順層鉆孔接抽負壓為20 kPa，接抽后初始濃度較大，但衰減周期短，在15 d后濃度即降至30%以下；30 d后濃度降至20%左右，甚至存在濃度小于10%的鉆孔。

2.2 原因及分析

采用鉆孔成像軌跡檢測裝置對抽采濃度比較低的鉆孔進行現場觀察，如圖3所示?？梢园l(fā)現：1)鉆孔表面存在大量裂隙，證明封孔長度不足，這是造成鉆孔抽采濃度及抽采量臺階式下降的主要原因；2)孔壁變形嚴重，部分鉆孔造成塌孔，堵塞鉆孔的大多為塊煤，存在塌孔堵塞現象，且塌孔位置大多在10 m左右，如果能加長封孔長度，能夠有效避免鉆孔塌孔現象，提高抽采效果。

圖3 鉆孔窺視圖Fig.3 Borehole peep view

3 瓦斯含量法測定巷道“三帶”分布

煤礦井下巷道受采掘影響存在“三帶”分布規(guī)律，一般采用鉆屑法、瓦斯含量法、數值模擬等方法可以對其進行測定。巷幫“三帶”分布的規(guī)律可以采用鉆孔壓力計測定的煤體壓力的變化來反映，由于瓦斯壓力、瓦斯排放情況等能夠通過煤層瓦斯含量的大小綜合反映，因此，煤體應力“三帶”分布規(guī)律也可以通過測定巷幫不同深度煤體的原始瓦斯含量來測定。

3.1 試驗地點概況

選擇在玉溪煤礦東瓦斯抽放巷進行巷道“三帶”現場測定。東瓦斯抽放巷位于3號煤層內，沿3號煤層底板掘進，矩形斷面，凈寬5.5 m，凈高3.5 m，凈斷面19.3 m2，支護采用錨網索噴+鋼筋托梁聯合支護。該施工區(qū)段煤層老頂為中粒砂巖；直接頂為砂質泥巖；3號煤層厚度為5.5～7 m，為黑色，塊狀，內生裂隙均發(fā)育，玻璃光澤，結構簡單。直接底為砂質泥巖；老底為粉砂巖。

3.2 現場測試結果

選擇在東瓦斯抽放巷掘進巷道里程750 m處向東幫煤層中間位置施工本次試驗的順層鉆孔，隨著試驗鉆孔的鉆進，每間隔2 m取鉆屑煤樣，并對煤樣測試瓦斯含量，煤樣瓦斯含量測試結果如表1所示。試驗鉆孔所取煤樣的瓦斯含量隨鉆孔深度變化如圖4所示。

圖4 瓦斯含量隨鉆孔深度變化情況Fig.4 Variation of gas content with drilling depth

表1 瓦斯含量測定結果表Table 1 Gas content measurement results

3.3 測試結果分析

分析表1、圖4可以得出，在鉆孔離巷道0～8 m范圍內，瓦斯含量在3.15～4.86 m3/t.r，平均為3.80 m3/t.r，瓦斯含量逐漸增加，但低于平穩(wěn)后的瓦斯含量，據此可判定東瓦斯抽放巷0～8 m的范圍內為“泄壓帶”；在鉆孔離巷道8～15 m范圍內，瓦斯含量在4.86～7.54 m3/t.r，平均為6.18 m3/t.r，瓦斯含量先增大后減小，且高于平穩(wěn)后的瓦斯含量，據此可判定東瓦斯抽放巷8～15 m的范圍為“集中應力帶”，且12 m附近為應力峰值區(qū)域；大于15 m的范圍，瓦斯含量在6.13～4.79 m3/t.r，平均為5.44 m3/t.r，為“原始應力帶”。

4 “三帶”的現場應用

根據對鉆孔封孔情況及巷道“三帶”分布的分析研究，玉溪煤礦對東瓦斯第二組之后所有鉆孔封孔工藝進行了改進。一是將封孔深度由9 m延長至12.5 m，封孔深度超過集中應力帶應力峰值點；二是將孔底囊袋改為石膏封堵抽放管末端，提升注漿壓力至0.7 MPa。改進后鉆孔封孔示意圖如圖5所示。

圖5 改進后鉆孔封孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of improved hole sealing

東瓦斯抽放巷施工鉆孔，每10個鉆孔為一組，每周對所有鉆孔的抽采情況進行檢測，所得數據見圖6。

圖6 東瓦斯抽放巷鉆孔抽采濃度對比Fig.6 Comparison of borehole extraction concentration in East Gas Drainage Roadway

通過圖6可知：1)在改進封孔工藝后，第二組、第三組、第四組鉆孔抽采濃度初始較第一組鉆孔分別增加了25.8%、15.2%、19%；2)在改進封孔工藝后，第二組、第三組、第四組鉆孔抽采濃度長時間處在40%以上，明顯高于第一組，延緩了鉆孔的衰減。采用新的封孔工藝后，3個月內鉆孔平均濃度為53.8%；截至3個月時濃度仍維持在40%，實現了高效抽采。

5 結論

1)選用瓦斯含量法對玉溪煤礦東瓦斯抽放巷(煤巷)測試地點進行了煤巷“三帶”分布測定，測定結果表明：距煤巷巷幫0～8 m的范圍內為“泄壓帶”；距煤巷巷幫8～15 m的范圍為“集中應力帶”，且12 m附近為應力峰值區(qū)域；大于15 m的范圍為“原始應力帶”，為鉆孔封孔深度奠定了理論基礎。

2)根據對鉆孔封孔情況及巷道“三帶”分布的分析研究，玉溪煤礦對鉆孔封孔工藝進行了改進，將封孔深度由9 m延長至12.5 m，封孔深度超過集中應力帶應力峰值點；再則將封堵囊袋改為石膏封堵抽放管末端，提升注漿壓力至0.7 MPa。采用新的封孔工藝后，3個月內鉆孔平均濃度為53.8%；截至3個月時濃度仍維持在40%，實現了高效抽采。

3)采用新的封孔工藝，大幅度提高了瓦斯的抽采濃度，延長了抽放衰減周期，為煤層瓦斯長時間預抽提供了技術支撐，實現了礦井高濃度瓦斯的穩(wěn)定利用，增加了安全保障，創(chuàng)造了經濟效益。

4)巷道圍巖三帶分布范圍受到埋深、巷道斷面積、巷道形成時間、鉆孔施工等多方面因素的影響，在后期生產期間應加強瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量的統(tǒng)計，并根據測定結果及時檢驗和修正巷道三帶分布范圍。