唐 勇，汪萬里，牛 強(qiáng)，陳紹祥

(1.陜西陜煤韓城礦業(yè)公司 下峪口煤礦， 陜西 韓城 715400；2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

瓦斯災(zāi)害是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的主要因素之一，對(duì)于煤與瓦斯突出礦井，首要任務(wù)是進(jìn)行消突，其次是瓦斯治理。隨著礦井開采深度的增加，煤層瓦斯壓力、瓦斯含量逐漸增大，瓦斯災(zāi)害治理壓力也日益增加[1-4]. 《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》及《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》要求，開采保護(hù)層時(shí)，必須布置對(duì)被保護(hù)層進(jìn)行瓦斯抽采的配套工程，確保抽采達(dá)標(biāo)。確定煤層瓦斯抽采鉆孔合理布置參數(shù)是實(shí)現(xiàn)礦井抽采達(dá)標(biāo)重要的技術(shù)工作之一，合理的鉆孔參數(shù)布置，能減少鉆孔工程量,提高抽采效率[5].

1 工程概況

下峪口煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5 Mt/a，為突出礦井，主采2#、3#煤層分別屬薄煤層、中厚煤層。2#煤層為突出煤層，開拓開采范圍內(nèi)實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力0.78 MPa，煤的瓦斯放散初速度10～13 mL/s，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.18～0.36，煤的破壞類型屬于Ⅱ～Ⅳ類。3#煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力1.74 MPa，瓦斯放散初速度8～15 mL/s，煤的破壞類型為Ⅳ～Ⅴ類，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.20～0.40. 2#、3#煤層層間距4.0～27.89 m，平均13.0 m.

2 底板攔截鉆孔參數(shù)布置考察方案

下峪口煤礦2#煤層采用沿空留巷無煤柱開采，擬開采2#煤層保護(hù)3#煤層，2#、3#煤層層間距較近，開采保護(hù)層的同時(shí)，布置2#煤層底板攔截鉆孔抽采3#煤層卸壓瓦斯，防止回采時(shí)3#煤層瓦斯大量涌入保護(hù)層開采工作面。

選擇23302進(jìn)風(fēng)順槽2號(hào)鉆場(chǎng)所在位置作為底板攔截孔參數(shù)布置考察地點(diǎn)，鉆孔間距20 m，鉆孔直徑120 mm，鉆孔深度402～427 m，封孔深度15 m，開孔位置距離鉆場(chǎng)底板1.0 m. 本次考察以23202工作面2號(hào)鉆場(chǎng)底板攔截孔抽采數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析卸壓瓦斯抽采效果及保護(hù)層開采回風(fēng)瓦斯?jié)舛?，考察?yàn)證孔間距20 m、鉆孔直徑120 mm底板攔截鉆孔是否滿足生產(chǎn)要求。封孔后聯(lián)管接抽，鉆孔孔口抽采負(fù)壓不得小于13 kPa；每組考察鉆孔安裝自動(dòng)計(jì)量裝置及孔板流量計(jì)單獨(dú)計(jì)量，監(jiān)測(cè)管路濃度、流量、負(fù)壓、溫度等參數(shù)。鉆孔布置見圖1.

圖1 底板攔截鉆孔平面布置示意圖

3 底板攔截鉆孔參數(shù)布置考察分析

3.1 瓦斯涌出量分析

3.1.1 開采層(保護(hù)層)瓦斯涌出量計(jì)算

23202工作面切眼寬150 m，設(shè)計(jì)采用傾向長(zhǎng)臂采煤法，綜采工藝，平均煤厚1.0 m，采煤工作面回采率不低于97%，月推進(jìn)度80～90 m；開采層相對(duì)瓦斯涌出量q1按式(1)計(jì)算。

(1)

式中，q1為開采層瓦斯涌出量，m3/t；m為開采層厚度，m；M為工作面采高，m；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t,抽采達(dá)標(biāo)后，取平均值6.0 m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，選1.1～1.3,23202工作面為全部垮落法管理頂板，取1.3；K2為丟煤瓦斯涌出系數(shù)，回采率的倒數(shù),2#煤層為薄煤層，工作面回采率97%，K2取1.03;K3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù)，采用長(zhǎng)壁后退式回采時(shí)，K3按式(2)確定：

K3=(L-2h)/L

(2)

式中，L為工作面長(zhǎng)度，m,23202工作面取150;h為掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度，m，2#煤層為瘦煤或焦煤，巷道煤壁暴露時(shí)間按200 d計(jì)，h取15.4 m. 計(jì)算得，K3=0.79.

因此，開采層相對(duì)瓦斯涌出量為3.17 m3/t；23202工作面試采期間，每天按一個(gè)循環(huán)0.6 m計(jì)算，日產(chǎn)量121.5 t，正常生產(chǎn)后，每天按5個(gè)循環(huán)計(jì)算，日產(chǎn)量約為607.5 t，開采層絕對(duì)瓦斯涌出量為0.27～1.34 m3/min.

3.1.2 鄰近層(被保護(hù)層)相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

(3)

式中,q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；ηi為第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；Woi為第i個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t.

鄰近層瓦斯排放率ηi與鄰近層至開采層的間距有關(guān)，按圖2選取。

1—上鄰近層；2—緩傾斜煤層下鄰近層；3—傾斜、急傾斜煤層下鄰近層圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線圖

2#、3#煤層層間距為11～13 m，根據(jù)圖2分析，開采2#煤層時(shí)，3#煤層瓦斯排放率為54%～59%，因此，鄰近層(3#煤層)瓦斯最大涌出量為20.65 m3/t. 23202采煤工作面試采期間，每天按一個(gè)循環(huán)0.6 m計(jì)算，日產(chǎn)量121.5 t，正常生產(chǎn)后，每天按5個(gè)循環(huán)計(jì)算，日產(chǎn)量約為607.5 t，鄰近層(3#煤層)絕對(duì)瓦斯涌出量為1.74～8.71 m3/min.

3.2 23202采面瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)分析

23202工作面回采期間采用本煤層邊抽邊采、采空區(qū)柔膜墻壓管抽采、頂板高位裂隙鉆孔抽采、底板攔截鉆孔抽采等綜合瓦斯治理措施，有效防止了回采期間采煤工作面瓦斯集聚、超限。

3.2.1 23202工作面瓦斯綜合抽采措施

1) 本煤層鉆孔邊抽邊采。

23202工作面區(qū)域防突措施采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，鉆孔在23202進(jìn)風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽兩巷垂直工作面施工；在運(yùn)輸順槽內(nèi)，距23202工作面停采線21 m開始施工，在進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)距23202工作面停采線19.5 m處開始施工，鉆孔布置在煤層中部，孔徑94 mm，傾角0°，方位角25°,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度80 m，鉆孔孔間距3 m，整個(gè)工作面共施工區(qū)域防突措施鉆孔552個(gè)。

2) 采空區(qū)柔膜墻壓管抽采。

23202采空區(qū)瓦斯采用柔膜墻壓管抽采，每道采面柔膜支護(hù)墻體(3 m)壓入一根2 m長(zhǎng)的d219 mm焊管(切眼位置柔膜支護(hù)墻體壓入3根2 m長(zhǎng)的d219 mm焊管)，焊管外漏墻體200 mm，采用d219 mm鋼絲膠管將壓入采空區(qū)的焊管連接至采空區(qū)抽采主管路三通上；當(dāng)壓入管路停止抽采時(shí)，應(yīng)甩掉單管，上好擋板。23202采面壓管抽采示意圖見圖3.

圖3 23202采面壓管抽采示意圖

3) 頂板高位裂隙鉆孔抽采。

在2號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)4個(gè)頂板高位裂隙鉆孔，鉆孔分別內(nèi)錯(cuò)23202進(jìn)風(fēng)順槽15 m、25 m、35 m、45 m，終孔距離2#煤層頂板高度12 m、15 m、17 m、19 m，孔徑153 mm. 鉆孔布置見圖4.

圖4 23202頂板高位裂隙鉆孔布置示意圖

鉆孔封孔長(zhǎng)度15 m，封孔段擴(kuò)孔孔徑203 mm，采用6英寸PE封孔管封孔。距封孔管孔口1 m位置下入返漿管，距孔口3 m下入注漿管，距孔口0.5 m使用無機(jī)封孔材料或膨脹水泥進(jìn)行封堵，待完全反應(yīng)后，使用注漿泵注漿，封孔結(jié)束后及時(shí)并入抽采系統(tǒng)抽采并安設(shè)單孔及管道監(jiān)測(cè)計(jì)量裝置。

4) 底板攔截鉆孔抽采。

在23302進(jìn)風(fēng)順槽2號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)5個(gè)底板攔截鉆孔，鉆孔位于2#、3#煤層之間的巖層中，距3#煤4 m左右。鉆孔布置見圖1.

3.2.2 23202工作面瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)分析

23202工作面于2021年8月開始試采，2021年12月初回采至23202進(jìn)風(fēng)順槽2號(hào)鉆場(chǎng)，每月推進(jìn)80～90 m，回采期間，通過在線監(jiān)測(cè)收集統(tǒng)計(jì)了不同抽采方式的瓦斯抽采濃度、流量、負(fù)壓等數(shù)據(jù)。各抽采方式瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞拷y(tǒng)計(jì)見圖5—8.

圖5 底板攔截孔抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

圖6 本煤層邊采邊抽鉆孔抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

圖7 頂板高位裂隙鉆孔抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

從圖5～圖8分析可知，回采初期，各抽采鉆孔瓦斯?jié)舛取⑼咚辜兞枯^小，隨著工作面的推進(jìn)，抽采瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量也逐步增大，并穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，直至12月初，工作面推進(jìn)至2號(hào)鉆場(chǎng)，底板攔截孔、頂板高位裂隙鉆孔破壞，數(shù)據(jù)下降。回采期間，底板攔截孔最大瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量分別為53.47%、6.10 m3/min，平均瓦斯純量為2.13 m3/min；本煤層邊采邊抽鉆孔最大瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量分別為18.04%、4.49 m3/min，平均瓦斯純量為2.63 m3/min；頂板高位裂隙鉆孔最大瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量分別為46.21%、2.23 m3/min，平均瓦斯純量為0.62 m3/min；采空區(qū)壓管抽采最大瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量分別為11.93%、4.91 m3/min，平均瓦斯純量為3.51 m3/min.

圖8 采空區(qū)壓管抽采數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

3.2.3 23202工作面瓦斯抽采效果分析

23202工作面采用“Y”型通風(fēng)，運(yùn)輸順槽配風(fēng)約760 m3/min，進(jìn)風(fēng)順槽配風(fēng)約440 m3/min，共計(jì)配風(fēng)1 200 m3/min. 工作面經(jīng)過底板攔截抽采、本煤層邊采邊抽、頂板高位裂隙抽采、采空區(qū)壓管抽采后，回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)見圖9.

圖9 回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計(jì)圖

從圖9分析可知，23202工作面從試采至推進(jìn)2號(hào)鉆場(chǎng)期間，大部分時(shí)間瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%～0.5%. 12月初，2號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)底板攔截孔及頂板高位裂隙鉆孔破壞，1號(hào)鉆場(chǎng)(位于停采線外30 m)內(nèi)底板攔截孔及頂板高位裂隙鉆孔因卸壓不充分抽采效果還不明顯，因而此階段回風(fēng)瓦斯?jié)舛容^高，最大回風(fēng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)0.71%，仍小于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的1%. 將每月內(nèi)各抽采方式的平均抽采量累加，得到表1.

根據(jù)瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果，23202工作面回采時(shí)瓦斯涌出量為2.01 ～10.05 m3/min，由表1可知，9—12月份23202工作面平均抽排瓦斯總量均大于10.05 m3/min，滿足采面生產(chǎn)要求；8月為工作面試采，推進(jìn)速度慢，瓦斯涌出量為較小，同樣滿足生產(chǎn)要求。

表1 各月瓦斯抽排總量統(tǒng)計(jì)表 /(m3·min-1)

4 結(jié) 語

23202工作面底板卸壓攔截鉆孔孔徑d120 mm，鉆孔間距20 m，鉆孔布置在2#、3#煤層之間的巖層中?；夭善陂g，底板攔截孔最大瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量分別為53.47%、6.10 m3/min，平均瓦斯純量為2.13 m3/min. 配合本煤層邊采邊抽、頂板高位裂隙抽采、采空區(qū)壓管抽采，回風(fēng)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%～0.5%，滿足23202工作面回采要求。因此，23202工作面底板卸壓攔截鉆孔參數(shù)布置是合理的，能滿足生產(chǎn)需求。