徐立鵬，唐 勇，劉 軍

(1.陜西省渭南市白水縣煤炭局，陜西 渭南 714000；2.陜西陜煤韓城礦業(yè)公司下峪口煤礦，陜西 渭南 715400；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

煤層賦存條件一般呈復(fù)雜性和多樣性，災(zāi)害治理難度大，尤其是煤與瓦斯突出事故時有發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失[13]，其中，實現(xiàn)突出煤層煤巷安全掘進(jìn)是防突工作的重中之重[4]。目前，煤巷掘進(jìn)防突普遍采用保護層開采、穿層鉆孔、順層鉆孔預(yù)抽，取得了顯著成效[57]。為了縮短災(zāi)害治理周期、提高掘進(jìn)安全性，眾多學(xué)者根據(jù)巷道條件，對防突新工藝進(jìn)行了探索。王金寶[8]通過理論計算和殘存瓦斯含量考察相結(jié)合的方法確定沿空掘巷的有效保護范圍，在卸壓范圍內(nèi)實現(xiàn)安全快速掘進(jìn)。賈明魁等[9]通過定向長鉆孔超前預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域治理技術(shù)，實現(xiàn)對煤巷掘進(jìn)范圍煤體的均勻控制，消除突出危險。牟全斌等[10]采用煤礦井下定向長鉆孔水力壓裂手段，在壓裂區(qū)域形成新的煤儲層裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有利于提高瓦斯抽采效果。下峪口煤礦2號煤層為薄煤層，瓦斯地質(zhì)極為復(fù)雜，無保護層開采條件，前期采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，掘進(jìn)速度慢，2號煤層作為強突3號煤層保護層開采，嚴(yán)重影響礦井采掘接續(xù)，為此，礦方根據(jù)2號煤層各巷道實際情況，嘗試不同的掘進(jìn)防突方法，以期探索適合2號煤層復(fù)雜瓦斯地質(zhì)的防突新工藝。

1 工程背景

下峪口煤礦隸屬陜西陜煤韓城礦業(yè)公司，為突出礦井，主采2號、3號煤層，以開采上覆2號煤層作為3號煤層保護層。礦井2號煤層為近水平煤層，平均煤厚1.0 m，2號煤層瓦斯含量總體隨開采深度增加而增大，但煤層瓦斯含量沿走向差異性較大，同一標(biāo)高瓦斯含量差值可達(dá)7～8 m3/t，且不同區(qū)域煤層破壞類型差異大，存在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類破壞煤，瓦斯地質(zhì)極為復(fù)雜。前期，2號煤層掘進(jìn)采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，但2019年頒布的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》對礦井防突工作提出了新的要求，開采范圍內(nèi)f<0.3的，或者f為0.3～0.5且埋深大于500 m的不能采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，下峪口煤礦二水平2號煤層大部分區(qū)域埋深已超過500 m，且f為0.2～0.4。因此，急需探索2號煤層半煤巖巷道掘進(jìn)防突技術(shù)新方法。

2 防突技術(shù)探索研究

根據(jù)礦井采掘部署情況，近期需要掘進(jìn)的巷道有23202運輸巷、23202切眼、22206進(jìn)風(fēng)巷、2-2采區(qū)輸送機巷，針對每條巷道的位置、煤巖賦存、巷道長度等情況，分別嘗試了巷道瓦斯預(yù)排等值寬度、定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、長鉆孔分段水力壓裂預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯防突技術(shù)。

2.1 巷道預(yù)排瓦斯等值寬度

2.1.1 試驗情況

23202運輸巷設(shè)計長828.5 m，采用沿空掘巷方式掘進(jìn)，23202運輸巷與21203采空區(qū)間凈煤柱僅6 m，21203工作面已于2008年12月回采完畢，位置關(guān)系如圖1所示。掘進(jìn)前，在23202運輸巷通過測定煤層殘余瓦斯含量進(jìn)行了采空區(qū)巷道預(yù)排瓦斯等值寬度考察和論證，考察結(jié)果為23202運輸巷前進(jìn)方向左幫15 m范圍內(nèi)已消除了煤與瓦斯突出的危險性，可以在巷道預(yù)排瓦斯等值寬度有效范圍內(nèi)進(jìn)行采掘活動。同時，為進(jìn)一步驗證23202運輸巷卸壓及防突的有效性，對掘進(jìn)工作面進(jìn)行區(qū)域措施效果檢驗，每循環(huán)60 m，施工3個鉆孔取5個煤樣測定煤層殘余瓦斯含量。

圖1 23202運輸巷位置關(guān)系Fig.1 Location relationship of 23202 transport roadway

2.1.2 試驗效果

沿空掘巷時，卸壓區(qū)煤體被破壞，地應(yīng)力降低，卸壓范圍內(nèi)煤層透氣性增大，吸附的大量瓦斯被釋放，起到消除突出危險的作用[1112]。23202運輸巷利用21203采空區(qū)預(yù)排瓦斯等值寬度巷道長873 m，實施區(qū)域效果檢驗13次，效果檢驗最大值WCY=7.63 m3/t，實施連續(xù)區(qū)域驗證87次，Smax=4.6 kg/m，Δh2max=120 Pa，區(qū)域效果檢驗及區(qū)域驗證指標(biāo)均不超標(biāo)，全程實現(xiàn)安全掘進(jìn)。

2.2 定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.2.1 試驗情況

23202工作面切眼設(shè)計為150 m×6 m(長×寬)，埋深為391.1～572.7 m。采用定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，設(shè)計5個主孔、5個分支孔，分支孔與主孔間距4 m，控制切眼兩幫輪廓線外一側(cè)15 m，另一側(cè)16.8 m，鉆孔深度145～166 m，定向長鉆孔設(shè)計如圖2所示。

圖2 定向長鉆孔設(shè)計示意Fig.2 Schematic diagram of directional long drilling design

實際施工時，由于煤層松軟，鉆孔無法在煤層中長距離鉆進(jìn)，方案調(diào)整為：主孔在煤層頂板全巖中鉆進(jìn)，每個主孔施工3～6個分支將全部煤體覆蓋，采取慢鉆進(jìn)、多沖孔的方式施工；該區(qū)域共施工5個主孔，22個分支孔，總進(jìn)尺2 358 m，煤孔進(jìn)尺1 173 m，煤孔率49.75%。

2.2.2 試驗效果

23202切眼定向長鉆孔歷時41 d全部施工完畢，封孔聯(lián)抽63 d后，鉆孔控制區(qū)域應(yīng)抽瓦斯量28 260 m3，實際抽采瓦斯量30 318 m3，抽采期間平均瓦斯?jié)舛?1.2%，平均瓦斯流量0.34 m3/t。區(qū)域效果檢驗最大殘余瓦斯含量7.20 m3/t。掘進(jìn)過程，共進(jìn)行了15次工作面突出危險性預(yù)測，Δh2max=110 Pa，Smax=4.6 kg/m，23202切眼實現(xiàn)安全掘進(jìn)。

2.3 長鉆孔分段水力壓裂預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.3.1 試驗情況

22206進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計長1 320 m，在工作面迎頭設(shè)計一個壓裂孔，主孔長度500 m，主孔施工層位為2號煤層直接頂砂巖層、距2號煤層垂距小于5 m。鉆孔結(jié)構(gòu)采用二開設(shè)計，一開鉆孔孔深60 m，直徑193 mm，成孔后下入φ127 mm套管，二開鉆孔直徑為98 mm。設(shè)計2個分支孔，分支點分別為120 m、300 m左右，分支孔深80 m左右。同時，設(shè)計主孔最終下扎并揭露2號煤層，一方面核實鉆孔軌跡距離2號煤層垂距，另一方面考慮下向孔一定程度上能促使巖屑沉入孔底，鉆孔設(shè)計平面如圖3所示。

圖3 22206進(jìn)風(fēng)巷壓裂鉆孔設(shè)計Fig.3 Fracturing drilling design of 22206 air inlet roadway

為保證水力壓裂效果，擬采用套管+封隔器封孔方式；拖動式分段水力壓裂技術(shù)工藝，初步設(shè)計水力壓裂段間距為20～30 m、封隔器卡距4～7 m，如圖4所示，壓裂段數(shù)不小于8段(具體情況視定向鉆探實施情況和水力壓裂現(xiàn)場施工情況適時調(diào)整)，水力壓裂液為清水。整體壓裂后進(jìn)行封孔(封孔55 m)、聯(lián)管抽采，在抽放主管上安裝自動計量裝置結(jié)合人工監(jiān)測，統(tǒng)計抽采瓦斯?jié)舛取⒓兞?、濃度、溫度、?fù)壓等參數(shù)。

圖4 壓裂段參數(shù)設(shè)計Fig.4 Parameter design of fracturing section

2.3.2 試驗效果

試驗共完成主孔496 m，2個分支孔166 m，共662 m，分支孔段為120～192 m(長度72 m)、303～397 m(長度94 m)。整個壓裂孔分8段壓裂、完成后鉆孔整體壓裂，共9段，累計注水量為767 m3，整體壓裂后進(jìn)行封孔(封孔55 m)、聯(lián)管抽采。

水力壓裂完成后采用鉆孔瞬變電磁試驗探測了22206進(jìn)風(fēng)巷2號煤層頂板壓裂孔水力壓裂鉆孔斜深方向60～168 m區(qū)段。通過純異常提取成果發(fā)現(xiàn)，多處異常呈帶狀分布，且多處異常由孔臂發(fā)育至徑向35 m外，壓裂影響半徑超過35 m，在壓裂段中形成明顯裂縫，壓裂后異常分布情況如圖5所示。

圖5 壓裂后異常分布情況Fig.5 Abnormal distribution after fracturing

22206進(jìn)順長鉆孔水力分段壓裂孔深496 m，孔口55 m未進(jìn)行壓裂，設(shè)計壓裂的有效抽采范圍為鉆孔兩側(cè)各25 m，控制面積24 550 m2，試驗區(qū)域煤層厚度1 m(視密度1.35 t/m3)，原始瓦斯含量12.48 m3/t，控制區(qū)域瓦斯儲量41.43萬m3，瓦斯含量降低至6.0 m3/t，試驗區(qū)域至少需抽采21.5萬m3的瓦斯。根據(jù)礦井自動監(jiān)測裝置顯示，鉆孔瓦斯抽采濃度為19.6%～51.6%、平均濃度為26.9%，平均抽采純量為0.7 m3/min，壓裂鉆孔瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。經(jīng)過3個月時間，水力壓裂鉆孔控制范圍已抽采瓦斯29.4萬m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需抽瓦斯量21.5萬m3，滿足區(qū)域防突措施效果檢驗要求。

圖6 22206進(jìn)順壓裂鉆孔瓦斯抽采監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Monitoring data curve of gas emission in 22206 coaxial fracturing drilling

2.4 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

2.4.1 試驗情況

2-2采區(qū)輸送機巷為2-2采區(qū)系統(tǒng)巷，沿2號煤層掘進(jìn)，與2-2采區(qū)回風(fēng)巷平距15 m，垂距24 m，2-2采區(qū)回風(fēng)巷已掘完成巷。在2-2采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)施工下向穿層鉆孔預(yù)抽2-2采區(qū)輸送機巷煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔控制煤巷兩側(cè)不少于15 m，孔徑94 mm，抽采半徑按3 m設(shè)計，三花布置，鉆孔平剖面如圖7所示。

圖7 2-2采區(qū)輸送機巷鉆孔布置示意Fig.7 Schematic diagram of drilling layout of conveyor roadway in 2-2 mining area

2.4.2 試驗效果

2-2采區(qū)輸送機巷200 m劃分為一個評判單元，經(jīng)區(qū)域防突措施效果檢驗，指標(biāo)不超標(biāo)且無噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象。2-2采區(qū)輸送機巷采取穿層鉆孔區(qū)域已掘進(jìn)665 m，共3個評判單元，區(qū)域防突措施效果檢驗最大值WCY=6.74 m3/t，區(qū)域驗證指標(biāo)Δh2max=120 Pa，Smax=4.5 kg/m，實現(xiàn)安全掘進(jìn)。

3 防突技術(shù)對比分析

礦井二水平2號煤層分別試驗了巷道瓦斯預(yù)排等值寬度、定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、長鉆孔分段水力壓裂預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯防突工藝，除22206進(jìn)風(fēng)巷暫未掘進(jìn)，其他3條巷道都實現(xiàn)了安全掘進(jìn)。對4種不同防突工藝優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 防突工藝優(yōu)缺點對比分析

4 結(jié)語

下峪口煤礦二水平2號煤層瓦斯地質(zhì)復(fù)雜，多數(shù)地方不具備頂?shù)装鍘r巷施工條件，在面臨采掘失調(diào)的情況下，針對各巷道具體條件積極嘗試不同掘進(jìn)防突技術(shù)工藝，實現(xiàn)安全掘進(jìn)，緩解了礦井采掘接續(xù)緊張局面。通過考察試驗，4種防突工藝均能消除煤與瓦斯突出危險性，并對比分析了不同防突工藝的優(yōu)缺點，為后續(xù)2號煤層半煤巖巷掘進(jìn)提供選擇依據(jù)。