近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術

龍聲德,段勇信,羅飛

(貴州松河煤業發展有限責任公司,貴州 六盤水 553000)

貴州松河煤業發展有限責任公司礦區內煤層賦存條件具有煤層多且層間距較小等特點,通常一層煤還沒有揭完就要對下一層煤采取區域防突措施[1].近距離突出煤層群開采突出危險性大,且易誤穿煤層引發煤與瓦斯突出等事故[2].因此,近距離的煤層群采取可靠的區域防突措施,對于保障礦井安全生產、提高揭煤效率及安全性具有重大意義[3-5].國內眾多學者對快速揭煤及煤層群采掘問題進行了研究.趙云德[1]對近距離多煤層石門快速揭煤技術進行了試驗研究,揭煤時間縮短48%;李青松[6]結合松河礦井的具體情況,提出了一套完整的石門揭煤防突工藝,并分析應用效果,實現了安全快速揭煤;曹佐勇等[7]對近距離煤層水力沖孔破煤時電磁輻射信號響應特征進行研究;王建等[8]為提高緩傾斜嚴重突出煤層的揭煤效率,采用縮短揭煤巷道距離、水力壓裂增透結合底板穿層鉆孔預抽的方法,優化揭煤步驟,現場應用表明,該方法可以減少2次區域驗證次數,減少施工9～24個鉆孔,揭煤時間平均縮短5.0～15.4 d,費用減少50%,實現了安全快速石門揭煤;龍建明等[9]將深孔預裂爆破和高壓水力割縫技術應用在松藻煤礦,揭煤時間縮短61%;馮康武[10]采用單孔多次高壓水力割縫形成縫槽,并同時實施中壓注水實現導向性水力壓裂的煤層增透方法,單孔抽采瓦斯流量平均提高2倍,單孔抽采瓦斯濃度平均提高3倍左右,實現了石門快速揭煤.

以上的研究只針對單一煤層或少數煤層進行快速揭煤,根據我公司煤礦出現的近距離傾斜煤層群特征及揭煤周期長等問題,本文提出近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術,采取左右鉆場施工長鉆孔控制前方大于0.3 m的10層煤,在揭煤的過程中對前方待揭煤層進行不間斷抽采降低揭煤區域瓦斯含量、壓力,提高單孔濃度及瓦斯利用率,同時降低突出危險性,在距煤層7 m法向距前對單一煤層或層間距小于7 m煤層群抽采盲區采取補充措施和煤層注漿,從而達到安全高效快速揭煤的目的.

1 工程概況

貴州松河煤業發展有限責任公司采三區132運輸石門是下一步保證礦井能正常生產接續的重要工程,為更好地做好該石門瓦斯治理,快速掘進形成系統,布置該區段采掘工作面瓦斯治理工程,打開礦井生產布局,是礦井急需解決的問題.

132運輸石門設計長度891 m,以32°55′28″方位,3‰坡道向前掘進,最大埋深644 m.L8測點前45～186 m段標高+1 493.2～1 492.7 m,掘進過程中需要揭露均具有突出危險性的9#,11#,13#,15#,16#,17#,18#及大于0.3 m的3層煤線，共計10層煤；煤層最大層間距9.2 m、最小層間距4 m;平均層間距6.5 m,煤層平均傾角30°,煤破壞類型為III～IV類,瓦斯含量為8.20～18.39 m3/t.

2 快速揭煤技術

近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術分為3步：(1)穿層長鉆孔控制前方10層煤進行連續抽采和異地消突;(2)在抽采空白帶進行區域防突措施補充和強化;(3)對煤層進行注漿固化形成安全屏障.

2.1 連續抽采+異地消突

在L8點前30 m處左右兩幫分別施工2個深×寬×高為5.0 m×5.5 m×3.5 m的鉆場,鉆場全斷面采用錨網索支護.在兩幫鉆場和工作面退后8 m處利用ZDY7300LX煤礦用全液壓坑道大功率鉆機施工96個15～180 m的鉆孔,控制巷道輪廓線上部、下部及左右均≥15 m,平均每層煤施工補孔12個、注漿孔8個,共計296個鉆孔,除補孔外所有鉆孔均能在工作面進尺過程中實現連續抽采和異地消突.常規揭煤方法平均每層煤施工鉆孔49個,揭露10層煤需要施工490個鉆孔,比快速揭煤技術多施工鉆孔194個.快速揭煤技術穿層鉆孔實施方法如圖1所示.

2.2 煤層注漿

在各煤層7 m法向距前,結合區域防突措施鉆孔竣工圖,在揭煤區域外注漿固化煤層,并改變煤巖性質,加固揭煤過程中頂底板的同時形成一個人為的安全屏障.

在施工注漿孔時,由于鉆孔受到鉆頭和鉆桿的鉆動影響導致鉆孔周圍應力重新分布,鉆孔孔壁及周邊煤巖受到擾動影響后形成一些人為的裂隙.注入高壓高強度的無機材料填充裂隙,不僅可以減少揭煤區域外未進行抽采的煤層瓦斯涌入揭煤工作面,還間接地加大煤體承載能力,減少揭煤過程中的突出危險性,有效地防止煤與瓦斯突出事故.注漿設計詳見圖2.

圖2 注漿設計圖

注漿鉆孔施工后,采用“一堵一注+帶壓封孔工藝”,封孔壓力不得小于4 MPa,為了避免注漿時漏漿,封孔長度不小于3 m,見煤段前后至少2 m使用篩管,其余全程下入實管.封孔時間超過2 h后,采用無機充填加固材料對鉆孔進行注漿,注漿壓力不得小于10 MPa.注漿設計參數詳見表1.

表1 注漿設計參數

3 實踐研究分析

3.1 鉆孔實際施工情況分析

在132運輸石門L8測點前30 m處左右鉆場及工作面退后8 m施工前方10層煤區域防突措施鉆孔,以工作面前方第9層煤17#煤層的控制范圍為基準,依次往工作面方向進行鉆孔補充,設計96個,總工程量11 190 m.根據竣工圖分析平均每層煤需要補充措施鉆孔12個和注漿孔8個,即共需要施工鉆孔合計296個,總工程量17 190 m.從2021年5月25日—2021年6月5日,共計12 d,使用2臺鉆機施工鉆孔102個,鉆孔總進尺11 215 m,平均每天施工934.6 m,補孔和注漿孔在每層煤7 m法向距前施工,共計施工220個,工程量6 595 m.揭開10層煤需要施工區域防突措施鉆孔和注漿鉆孔304個,總工程量17 810 m.

常規揭煤方式揭露9#～18#煤需要施工鉆孔490個,單孔平均孔深38 m,工程量約18 620 m,施工穿層鉆孔每米成本260元,即快速揭煤技術節約施鉆成本21.06萬元.

3.2 鉆孔施工時間分析

近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術鉆孔施工時間為12 d,施鉆期間無異常動力現象,施鉆結束后還需要抽采29 d,時間差異性系數小于30%,并且符合上級公司下發的《礦井井巷揭煤技術管理規范》文件,工作面抽采率達到45%以上.每層煤施工補孔和注漿孔時間為4 d,還需要抽采7 d達到要求,施鉆和抽采時間共計99 d.常規揭煤方式每層煤需要施鉆時間和抽采時間最快為30 d ,在揭煤程序、施工單位和施工設備一致的情況下比常規揭煤方式節省時間201 d,縮短揭煤時間67%.

3.3 瓦斯抽采量分析

穿層長鉆孔最多穿過煤層10層,鉆孔最長195 m,最短18 m.穿過煤層1～10層不等.單孔初始濃度最大高達89%,鉆孔成孔后24 h內由管理人員到現場指導進行“兩堵一注+帶壓封孔”,DN350主管安設自動計量裝置,每7 d進行一次調校，誤差不超過5%,單孔濃度每7 d由專人負責測定并記錄分析.主管瓦斯濃度在全部鉆孔施工結束后的29 d內穩定在30%以上,抽采混量平均22.83 m3/min、抽采純量6.85 m3/min;日抽采總純量9 864 m3,日均發電量達到2.66萬kW·h.單孔濃度最高90%,主管瓦斯濃度最高達到50%,純量最高達到12.52 m3/min.抽采時間與抽采純量、瓦斯濃度關系圖見圖3所示.

圖3 抽采時間與抽采純量、瓦斯濃度關系

3.4 瓦斯利用率分析

所有煤層揭露完成后,主管瓦斯濃度仍保持在10%上下,總抽采天數130 d,抽采總純量57.57萬m3,平均抽采純量3.08 m3/min.常規揭煤方式平均每層煤瓦斯抽采總純量為3.5萬m3,10層煤揭露完成抽采總純量能達到35萬m3,平均1 m3純量瓦斯能發電2.7 kW·h.近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術比常規揭煤方式抽采總純量多22.57萬m3,可多發電60.9萬kW·h,可間接獲益40.8萬元.快速揭煤技術與常規揭煤瓦斯抽采量對比圖見圖4.

圖4 快速揭煤技術與常規揭煤瓦斯抽采量對比

3.5 效果分析

在鉆孔有效控制范圍內抽采達標后,工作面進尺期間鉆場和后方鉆孔始終保持抽采,主管抽采負壓保持在15 kPa以上,主管瓦斯濃度長期維持在15%上下,對前方揭煤區域鉆孔有效控制范圍內進行連續抽采.在工作面掘進期間,抽采時見煤段篩管孔附近產生負壓流，從而形成一個負壓圈對涌入工作面的瓦斯進行攔截和注漿形成的安全屏障共同構成揭煤工作面的“雙重保護”.近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術成果示意圖見圖5.

1-揭煤工作面; 2-負壓圈; 3-抽采鉆孔; 4-注漿孔; 5-注漿安全屏障

在132運輸石門揭露9#～18#層煤期間,區域防突措施效果檢驗中,17#煤層實測最大殘余瓦斯含量為4.586 9 m3/t;工作面前方第四層煤13#層最小殘余瓦斯含量為2.543 3 m3/t.區域驗證最大鉆屑解吸指標值為0.28 mL/(g·min1/2);掘進期間回風流瓦斯濃度最小僅為0.19%,最大為0.45%.

3.6 建議

1)由于第一層煤穿過的鉆孔終孔間距最近僅為1 m,因此,在施工穿層長鉆孔時現場必須有中線和測定鉆孔開孔參數的儀器,由專人開孔,傾角偏差為0°,夾角偏差±1°,鉆孔見煤情況與設計偏差5 m以上,采用鉆孔測斜儀確定鉆孔有效控制范圍, 最大化彌補抽采盲區.

2)對于傾角大于-25°的下行抽采鉆孔,為了提高抽采效果必須采取有效防范鉆孔積水的技術措施.

4 結論

1)采用穿層長鉆孔同時控制10層煤進行連續抽采,各煤層7 m法向距之前采區補充措施和煤層注漿固化,加大煤體承載能力,減少揭煤過程中突出危險性,較常規揭煤方式節省時間201 d,縮短揭煤時間67%.

2)在負壓圈和注漿形成的安全屏障共同構筑的“雙重保護”下,揭煤過程中實現瓦斯零超限和零異常,為礦井安全揭煤提供保障.

3)從揭煤時間、瓦斯抽采量、鉆孔施工工程量以及瓦斯利用率等多方面比較,證明了近距離傾斜煤層群連續抽采快速揭煤技術能實現安全快速揭煤.