曙光煤矿底抽巷穿层钻孔消突技术研究与应用.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０４􀆽 ０２作者简介曹兔科１９７５－ ꎬ男ꎬ山西吕梁人ꎬ工程师ꎬ从事煤矿安全监管工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５－２７９８. ２０２０. ０７. ００６曙光煤矿底抽巷穿层钻孔消突技术研究与应用曹兔科山西省孝义市应急管理局ꎬ山西孝义０３２３００摘要曙光煤矿为煤与瓦斯突出矿井ꎬ为消除煤巷掘进期间瓦斯突出的危险ꎬ设计采用底抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术进行区域消突ꎬ通过在１２３２运输巷现场试验ꎬ并采用钻屑法验证了底抽巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯消突技术的有效性ꎬ成功实现了１２３２运输巷的安全高效掘进ꎮ 关键词底抽巷ꎻ瓦斯突出ꎻ钻屑量中图分类号ＴＤ７１２. ６文献标识码Ａ文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ００１８􀆽 ０３ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｎｔｉ－ｏｕｔｂｕｒｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＤｒｉｌｌｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈＳｔｒａｔａｏｆＢｏｔｔｏｍＳｕｃｔｉｏｎＲｏａｄｗａｙｉｎＳｈｕｇｕａｎｇＣｏａｌＭｉｎｅＣＡＯＴｕ􀆽 ｋｅＸｉａｏｙｉＥｍｅｒｇｅｎｃｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｕｒｅａｕꎬ Ｘｉａｏｙｉ０３２３００ꎬＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔＳｈｕｇｕａｎｇｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆｏｒｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｍｉｎｅꎬ ｔｏｒｅｍｏｖｅｔｈｅｄａｎｇｅｒｏｆｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｅｘｃａｖａｔｉｎｇｉｎｃｏａｌｒｏａｄｗａｙꎬ ｄｒａｉｎａｇｅｄｅｓｉｇｎＵＳＥＳｂｏｔｔｏｍｗｅａｒｌａｙｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｒａｉｎａｇｅｇａｓｉｎｒｅｇｉｏｎａｌｏｕｔｂｕｒｓｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎꎬ ｔｈｒｏｕｇｈｆｉｅｌｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎ１２３２ｔｒａｎｓｐｏｒｔｌａｎｅꎬ ａｌｌｅｙｐｕｍｐｉｎｇａｎｄｃｕｔｔｉｎｇｓｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｂｏｔｔｏｍｌａｙｅｒｏｆｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒａｉｎａｇｅｅｆｆｅｃ￣ｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｃｏａｌｓｅａｍｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎬ ｓｕｃｃｅｅｄｅｄｉｎ１２３２ｔｈｅｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｌａｎｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｈｅｅｎｄｏｆｄｒａｉｎａｇｅｗａｙꎻｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔꎻａｍｏｕｎｔｏｆｄｒｉｌｌｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓ１工程概况汾西矿业集团公司曙光煤矿位于山西省中部孝义市ꎬ目前主采２号煤层ꎬ煤层平均厚度２. ７８ｍꎬ煤层倾角最大５ꎬ最小１ꎬ平均倾角３ꎬ可采性指数为１ꎬ为稳定煤层ꎬ属井田内主要可采煤层ꎮ 矿井设计生产能力９０万ｔ/ ａꎮ １２３２工作面地表标高在＋９２７＋１０５４ｍ之间ꎬ相对高差１２７ｍꎬ对应地表位置大部分为第三、第四系黄土覆盖ꎬ沟谷发育ꎻ工作面标高在＋４４２＋５０４ｍ之间ꎬ平均埋深约５５０ｍꎮ 矿井瓦斯绝对涌出量为１１２. ４５ｍ３/ ｍｉｎꎬ相对涌出量为３６. ２ｍ３/ ｔꎬ是煤与瓦斯突出矿井ꎮ 正在准备的１２３２工作面共布置两条回采巷道ꎬ分别为运输巷、轨道巷ꎬ布置在２号煤层中ꎬ沿煤层顶板掘进ꎮ 煤巷掘进期间施工卸压孔时喷瓦斯现象时有发生ꎬ 导致施工工期长ꎬ效率低下ꎬ为确保１２３２工作面两条回采巷道掘进期间的安全ꎬ在工作面下部的泥岩岩层中布置底抽巷ꎬ底抽巷与２号煤层底板垂直距离为８１０ｍꎬ与１２３２运输巷水平距离为２０ｍꎬ采用在底抽巷内布置穿层钻孔预抽巷道掘进区域瓦斯ꎬ以确保掘巷期间的施工安全ꎮ ２穿层钻孔抽采瓦斯有效抽采半径分析２. １穿层钻孔抽采半径理论分析在１２３２工作面设计采用穿层钻孔进行瓦斯预抽的区域ꎬ首先施工瓦斯抽采实验钻孔ꎬ封孔完成后并入抽采瓦斯管路进行瓦斯抽采ꎬ采用流量计记录抽采瓦斯浓度随抽采时间的变化ꎬ通过回归分析得到抽采钻孔的瓦斯流量衰减系数及百米穿层钻孔初始瓦斯流量ꎬ计算得到钻孔的有效抽采半径ꎬ回归分析公式为ｑｔ＝ｑ０ｅ－ βｔ１ β ＝ｌｎｑ０－ｌｎｑｔｔ２式中ｑｔ为抽采时间为ｔ时钻孔内瓦斯流量ꎬ ｍ３/ ｍｉｎꎻｑ０为开始抽采时钻孔内瓦斯流量ꎬｍ３/ ｍｉｎꎻ ８１成成果果应应用用总第２５１期 β 为流量衰减系数ꎬｄ－１ꎻｔ为抽采时间ꎬｄꎮ 穿层钻孔有效抽采半径Ｒ计算公式为[１] Ｒ＝１４４０ｑ０１－ｅ－ βｔ１００ πβηρＷ３式中ρ 为煤层的平均密度ꎬｔ/ ｍ３ꎻη 为瓦斯抽采率ꎬ％ꎻＷ为煤层中原始瓦斯含量ꎬｍ３/ ｔꎮ 根据流量计记录数据ꎬ瓦斯抽采实验钻孔封孔抽采１８０ｄ后ꎬ瓦斯流量由７. ５６ｍ３/ ｍｉｎ衰减到１. ５６ｍ３/ ｍｉｎꎬ由式２计算得到 β ＝０. ００８８ｄ－１ꎬ２号煤密度为１. ３５ｔ/ ｍ３ꎬ 瓦斯初始含量Ｗ＝３６. ２ｍ３/ ｔꎬ欲通过穿层钻孔降至８ｍ３/ ｔ以下ꎬ煤层瓦斯抽采率 η ＝７７. ９％ꎬ将以上参数代入式３可得ꎬ穿层钻孔抽采１８０ｄ有效抽采半径为２. ９１ｍꎮ ２. ２穿层钻孔布置参数分析每个穿层钻孔在煤层中形成的有效抽采区域近似为一个圆ꎬ为取得良好的消突效果ꎬ要求穿层钻孔的有效抽采区域覆盖整个预抽采区域ꎬ钻孔间的直线距离为其有效抽采半径的２倍时ꎬ钻孔无论怎样布置ꎬ均不可避免地使煤层中存在一定面积的抽采盲区ꎬ因此为达到对整个区域进行有效的抽采目的ꎬ 首先进行钻孔布置间距的优化分析ꎮ 抽采钻孔采用三角形布置均需要重叠一部分区域ꎬ才能消除钻孔间的抽采盲区ꎬ若要将３个钻孔间的抽采盲区覆盖ꎬ ３个钻孔的布置示意如图１所示ꎮ 图１穿层钻孔水平间距优化分析示意当钻孔布置形式如图１所示时ꎬ在覆盖钻孔间抽采盲区的前提下ꎬ钻孔有效抽采面积的重叠区域最小ꎬ此时钻孔间的距离为３Ｒꎬ钻孔有效抽采半径为２. ９１ｍꎬ则钻孔间距离为５. ０４ｍꎬ由此可知瓦斯钻孔间合理间距为５. ０ｍꎮ ３底板穿层钻孔布置参数设计根据煤与瓦斯突出矿井煤巷掘进防突规定ꎬ 煤巷掘进前对巷道掘进区域进行穿层钻孔预抽瓦斯消突时ꎬ穿层钻孔有效抽采区域应覆盖巷道两帮轮廓线以外至少１５ｍ[２]ꎬ穿层钻孔沿巷道宽度方向的个数计算公式为[３] ＮＷ＝２３０＋Ｂ＋Ｒ３Ｒ４式中Ｂ为巷道掘进宽度ꎬｍꎻＲ为穿层钻孔的抽采半径ꎬｍꎮ 沿巷道掘进方向钻孔的数量计算公式为Ｎｔ＝Ｌ３Ｒ５式中Ｌ为煤巷掘进长度ꎬｍꎮ 曙光煤矿１２３２运输巷宽度为５. ０ｍꎬ总长度为１５６５ｍꎬ穿层钻孔有效抽采半径为２. ９１ｍꎬ计算可得ꎬ沿巷道宽度方向穿层钻孔数量ＮＷ＝８. ３２个ꎬ因此设计煤巷宽度方向布置１０个穿层钻孔ꎬ钻孔间距离为５. ０ｍꎻ沿巷道长度方向需布置钻孔数量Ｎｔ＝３１０个ꎮ 综上可知ꎬ共需３１００个穿层钻孔ꎬ平面布置形式如图２所示ꎮ 图２穿层钻孔平面布置示意４底抽巷穿层钻孔现场应用在１２３２底抽巷左帮向１２３２运输巷掘进区域施工穿层钻孔ꎬ每组１０个钻孔ꎬ１１０号穿层钻孔的布置参数见表１ꎬ钻孔终孔处间距为５ｍꎬ钻孔开孔处水平距离为０. ５ｍꎬ钻孔开孔处距底板２ｍꎬ钻孔直径为９４ｍｍꎬ共设计３１００个钻孔ꎬ钻孔有效抽采范围覆盖１２３２运输巷轮廓线两侧各２０ｍꎮ 设计穿层钻孔施工后平面布置如图３所示ꎮ 表１穿层预抽钻孔参数孔号编号方位角/ 倾角/ 孔深/ ｍ开孔高度/ ｍ１９１.２３９２４.５２.０２９２.５３７.５２５.８２.０３９３.４３３.２３４.４２.０４９４.１３２.６３８.５２.０５９５.６３０.１４１.０２.０６９７.５２９.４４４.６１.５７９８.４２７.６５２.９１.５８９９.２２４.８５９.７１.５９１０１.２２２.４６４.８１.５１０１０２.４２１.９７４.８１.５图３１２３２运输巷穿层钻孔布置平面９１２０２０年７月曹兔科曙光煤矿底抽巷穿层钻孔消突技术研究与应用第２９卷第７期１２３２底抽巷内穿层钻孔施工采用ＺＹＧ－４０００Ｌ型钻机ꎬ每施工完一个钻孔后ꎬ立即进行封孔ꎬ封孔采用“两堵一注”囊袋带压注浆式封孔器ꎬ封孔长度不小于５ｍꎬ封孔前应将孔内积水、岩屑清理干净ꎬ 封孔完接入抽采系统ꎮ 单孔孔口安设导流管ꎬ使用瓦斯综合参数测定仪测定单孔负压、流量、浓度等参数ꎮ １２３２底抽巷内瓦斯抽采支管内径为３００ｍｍꎬ总长度约１５５０ｍꎬ抽采负压为２０ｋＰａꎬ抽采时间不少于１８０ｄꎮ １２３２运输巷掘进区域瓦斯预抽路线１２３２底抽巷帮部穿层钻孔底抽巷抽采支管内径３００ｍｍ二采区回风上山抽采管路直径７００ｍｍ回风大巷管道立眼地面永久抽采泵站ꎮ ５防突效果分析１２３２运输巷掘进期间采用钻屑法鉴定围岩的突出危险性ꎬ巷道掘进期间ꎬ在掘进工作面迎头处向前施工探测孔ꎬ探测孔布置如图４所示ꎬ测试钻孔施工过程中的钻屑量Ｓ和瓦斯解吸指标Ｋ１ꎬ根据防突规定ꎬ 当Ｓ值小于６ｋｇ/ ｍ且Ｋ１值小于０. ５ｍＬ/ ｇ􀅱ｍｉｎ１/２时[４]ꎬ表明该区域煤层无煤与瓦斯突出的危险ꎮ １２３２运输掘进期间测得的Ｓ值和Ｋ１值随着进尺的变化趋势如图５所示ꎮ 图４探测孔布置示意由图５可以看出ꎬ煤层内瓦斯解吸指标最大值为０. ４６ｍＬ/ ｇ 􀅱ｍｉｎ１/２ꎬ始终小于参考临界值０. ５ｍＬ/ ｇ􀅱ｍｉｎ１/２ꎬ煤层内钻屑量Ｓ值最大为１. ９ｋｇ/ ｍꎬ远小于６ｋｇ/ ｍꎬＳ值和Ｋ１值均小于规定的临界值ꎬ探测孔施工期间未出现喷孔等现象ꎮ 综上可知ꎬ通过穿层钻孔预抽后ꎬ成功消除了煤巷掘进期间瓦斯突出的危险ꎮ ６结语对于煤与瓦斯突出矿井ꎬ必须采取区域消突和局部防突措施ꎬ以保证工作面的安全生产ꎬ曙光煤矿煤巷掘进期间采用底抽巷穿层钻孔预抽瓦斯技术进行区域消突ꎬ取得了良好的效果ꎬ值得借鉴ꎮ 图５煤层内Ｓ值和Ｋ１值随进尺的变化规律参考文献 [１] 马文伟. 倾斜煤层穿层测压钻孔设计参数计算方法研究[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１９ꎬ５１１２４８－５２. [２] 冯磊. 穿层钻孔超高压水力割缝技术试验研究[Ｊ]. 能源与环保ꎬ２０１９ꎬ４１１１５４－５７ꎬ６１. [３] 安邦. 底抽巷穿层预抽卸压技术在中兴煤业的应用分析[Ｊ]. 石化技术ꎬ２０１９ꎬ２６１１８６ꎬ８３. [４] 曹良伟. 李村煤矿瓦斯抽采技术研究与应用[Ｊ]. 煤炭与化工ꎬ２０１９ꎬ４２１１１１２－１１４. [责任编辑常丽芳] ０２２０２０年７月曹兔科曙光煤矿底抽巷穿层钻孔消突技术研究与应用第２９卷第７期

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