大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究_刘伟.pdf

1292023 年第 5 期刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究刘 伟（库车县榆树岭煤矿有限责任公司，新疆 阿克苏 843000）摘 要 针对新疆下侏罗统低解吸坚硬厚煤层大断面掘进巷道地质异常带瓦斯突出问题，采用工程实践与理论分析相结合的方法，研究提出了挂耳迈步钻场施工钻孔、大直径钻孔卸压增透预抽煤巷条带煤层瓦斯及注气驱替煤巷条带煤层瓦斯等技术，解决了地质异常带瓦斯综合治理的一系列问题，提高了瓦斯抽采效率，实现了掘进面瓦斯涌出量可控。关键词 掘进巷道；地质异常带；瓦斯治理；钻孔卸压中图分类号 TD712 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.042Research on Gas Control Technology for Geological Anomalous Zones in Large Cross-section Excavation RoadwayLiu Wei(Kuqa County Yushuling Coal Mine Co.,Ltd.,Xinjiang Aksu 843000)Abstract:In response to the problem of gas outburst in the geological anomaly zone of the large cross-section excavation roadway in the low desorption hard thick coal seam of the Lower Jurassic in Xinjiang,a combination of engineering practice and theoretical analysis was adopted to study and propose technologies such as hanging ear step drilling field construction drilling,large diameter drilling pressure relief and permeability pre extraction of coal seam gas in the coal roadway strip,and gas injection displacement of coal seam gas in the coal roadway strip,which solved a series of problems in the comprehensive management of gas in the geological anomaly zone,improved gas extraction efficiency and achieved controllable gas emission from the excavation face.Key words:excavation roadway;geological anomalous zones;gas control;drilling pressure relief收稿日期 2022-10-07作者简介 刘伟（1995），男，甘肃通渭人，2018 年毕业于兰州资源环境职业技术学院，本科，现任库车县榆树岭煤矿有限责任公司助理工程师，研究方向：一通三防。刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究榆树岭煤矿是年产 120 万 t 的中型矿井，位于新疆阿克苏地区，煤与瓦斯突出矿井，水文地质复杂，煤层厚度大和变化明显、瓦斯含量高、吸附瓦斯含量大，瓦斯具有低解析、难抽采等特点，瓦斯治理难度较大。随着矿井向深部不断延深开采，瓦斯灾害威胁大增，已成为制约矿井安全、稳定发展的主要因素。1 工程概况榆树岭煤矿 2019 年瓦斯等级鉴定为突出矿井，矿井绝对瓦斯涌出量 140 m3/min，相对瓦斯涌出量36.5 m3/t。110503 运输顺槽掘进工作面因掘进期间绝对瓦斯涌出量较大，出现炸帮现象，并伴有煤炮声，随即停止掘进，采取预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施。采取区域防突措施后进行防突措施效果检验时，经过抽采后煤层瓦斯含量出现不减反增的现象，测定煤层残余瓦斯含量最大为 7.3 m3/t，经分析条带区域煤层存在瓦斯迟滞运移现象。110503综放工作面设计走向长度为 1300 m，倾向长度 155 m，工作面北部为 11501 首采面，西部为矿井边界保护煤柱，东部为矿井主斜井保护煤柱，南部为待采区域。工作面南北两侧分别布置 11503 运输顺槽和回风顺槽，回风顺槽宽 高=4.5 m2.9 m，运输顺槽宽 高=5.0 m2.9 m。具体见图 1。通过对施钻钻孔测斜分析和巷道实际掘进揭露情况发现巷道处于一个向斜构造区域内。经过分析该巷道约 400700 m 处位于一个地质异常带内，约530 m 处正处于向斜的底部，第一个条带循环累计抽采时间达到 73 d，大大影响了掘进施工进度。1302023 年第 5 期图 1 110503 工作面布置图2 地质异常带瓦斯综合治理研究2.1 瓦斯综合治理方案分析为能够保障 110503 运输顺槽安全掘进，防止矿井采掘失调，研究并实施大断面掘进巷道地质异常带瓦斯综合治理技术，解决 110503 运输顺槽掘进工作面在过地质异常带时的瓦斯治理难题。在 110503运输顺槽地质异常带内掘进期间，提出采用挂耳迈步钻场施工钻孔、大直径钻孔卸压增透预抽煤巷条带煤层瓦斯、注气驱替（置换）煤巷条带煤层瓦斯、增大半封闭孔隙与气体流动裂隙之间的瓦斯浓度梯度等一系列措施。2.2 瓦斯综合治理关键技术研究2.2.1 挂耳迈步钻场技术通过采用挂耳迈步钻场施工钻孔，打破原有的在巷道正迎头施工钻孔的局限性，利用挂耳迈步钻场配合巷道正迎头同时施工钻孔。根据煤巷条带煤层瓦斯含量大小，选取合理的挂耳钻场规格尺寸，由原来的长4.2 m宽4.2 m到长4.2 m宽2.7 m，再到长 4.2 m 宽 1.5 m，减少钻场施工时间和施工工程量，缩小巷道空顶面积，巷道支护难度大大降低。挂耳迈步钻场采用前后 2 m 错距，避免巷道正中顶板压力集中出现顶板事故，确保安全生产。利用挂耳迈步钻场所施工的钻孔可以有效控制巷道两帮轮廓线外上帮 15 m、下帮 25 m 的范围，能够超前治理 110505 回风顺槽巷道瓦斯，为矿井瓦斯治理工作超前谋划。主要采用 ZDY4000L(A)型煤矿用履带式全液压坑道钻机：1）实现两台钻机同时施工，大大节省钻孔施工时间，为巷道掘进争取足够的时间。2）确保钻孔布置更加合理，提高钻孔成孔率，减少人工投入；降低钻孔串孔风险，防止瓦斯异常。3）掘进期间能够同时抽采巷道两帮瓦斯，掩护巷道掘进，确保掘进期间瓦斯涌出量可控。图2 110503运输顺槽挂耳迈步钻场前后钻孔设计图（m）2.2.2 大直径钻孔卸压增透技术110503 运输顺槽采用小直径钻孔抽采煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施，存在钻孔施工时间长、抽采效率低的问题。针对小直径钻孔施工工艺存在的问题，实施研究大直径钻孔卸压增透措施在煤巷条带瓦斯治理技术。采用煤炭科学研究总院西安研究院生产的 ZDY-1900S 型、ZDY-4000L（A）型全液压钻机及 133 mm、153 mm 钻头在 110503 运输顺槽掘进工作面施工大直径钻孔，采用“两堵一注”封孔方法，封孔深度 10 m，预埋两根 50 mm封孔管。1）钻孔直径越大，钻孔内裂隙越发育。根据钻孔抽放效果，确定钻孔抽采半径，抽放钻孔工程量减少，节省钻孔施工时间，减少人工投入。2）在其他参数相同的情况下，钻孔半径越大，钻孔内裂隙越发育，钻孔抽采效果越好，节省了瓦斯治理时间。3）根 据 矿 井 实 际 条 件，采 用 133 mm、153 mm 合金螺旋钻头、63.5 mm 钻杆，钻孔钻进过程中，合理调整给进压力、推进速度，提高钻孔成孔率。4）采用“两堵一注”封孔工艺，预埋两根50 mm 聚氯乙烯抽采管，封孔深度 10 m，封孔段长度为 8 m，通过增加管路数量增加抽采管径，提高瓦斯抽采效果，节省瓦斯治理时间。未采取大直径钻孔卸压增透措施前，设计第二循环小直径钻孔工程量为 3173 m，采用 94 mm1312023 年第 5 期刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究刘 伟：大断面掘进巷道地质异常带瓦斯治理技术研究钻头施工；采取大直径钻孔卸压增透措施后，同样地质条件下，第三循环设计钻孔工程量为 1687 m，采用 133 mm、153 mm 钻头施工。（a）大直径钻孔卸压增透措施钻孔布置方案（m）（b）大直径钻孔卸压增透措施抽采半径图 3 大直径钻孔卸压增透措施钻孔布置与抽采半径2.2.3 注气驱替煤巷条带煤层瓦斯技术针对巷道正前方有向斜构造，经过抽采后煤层瓦斯含量有不减反增的现象的问题，采用注气驱替煤巷条带煤层瓦斯技术。在 110503 运输顺槽迎头顺层条带钻孔中选取三组近似平行的钻孔（1#钻场选取 2-4#和 3-4#钻孔；2#钻场选取 2-8#钻孔；3#钻场选取 1-2#、3-2#和 2-3#钻孔）作为注气孔，其余钻孔进行负压抽采（抽采单孔负压约为 32 kPa），以井下压风作为注气气源，注气压力0.7 MPa左右，设备选用 19 mm 高压胶管、19 mm 高压直通、19 mm高压截止阀、19 mm多路分风器、封孔胶、水泥等。图 4 110503 运输顺槽注气驱替煤巷条带煤层瓦斯布置方案1）注入高压气体可以提高煤层中气体渗流速度，使煤体上 CH4吸附量减小，促进瓦斯的解吸，起到促排促抽和加快瓦斯抽采作用。2）110503 运输顺槽迎头在抽放钻孔抽采过程中，采取钻孔注气措施后，大大增强了瓦斯抽采效果，同时为工作面瓦斯治理创造了条件，缩短了掘进工作面瓦斯抽采时间，对掘进工作面的安全生产具有重大的意义。3）采取该措施后，为 110503 运输顺槽掘进工作面安全快速掘进和顺利贯通创造有利条件。3 瓦斯综合治理效果3.1 时间效益1）利用挂耳迈步钻场所施工钻孔能够两台钻机同时施工，只需 7 d 左右即可，大大提高了钻孔施工效率和成孔率。通过挂耳迈步钻场施工，累计为巷道掘进节省时间大约 100 d。2）采用大直径钻孔卸压增透措施，钻孔工程量减少，施工时间短，钻孔施工周期约 8 d，相比小直径钻孔施工时间节约 5 d。瓦斯抽放量大大增加，缩短了瓦斯治理抽采周期，为提高单进创造有利条件。3）采取钻孔注气措施后，瓦斯抽放纯量由2000 m3 提高到 2800 m3 左右，大大增强了瓦斯抽采效果，缩短了掘进工作面瓦斯抽采时间。3.2 经济效益1）110503 运输顺槽利用挂耳迈步钻场施工钻孔更加合理化，提高了钻孔成孔率，避免了无效的人工投入，为矿井节省人工投入大约 50 万元。2）110503 运输顺槽采用大直径钻孔卸压增透措施，每循环可节省钻孔工程量 1486 m，总计减少钻孔工程量 13 374 m，可节省成本 53.5 万元。3）110503 运输顺槽采用注气驱替（置换）煤巷条带煤层瓦斯措施，大大节约了条带循环瓦斯抽采时间，减少了大量人力和物力的投入，产生的经济效益显著。3.3 安全效益1）利用挂耳迈步钻场所施工的钻孔在掘进期间能够同时抽采巷道两帮瓦斯，实现持续抽放，掩护巷道掘进，掘进期间瓦斯涌出量降低至 1 m3/min左右，确保掘进期间瓦斯涌出量可控。2）利用挂耳迈步钻场设计的钻孔更加合理化，大大降低了钻孔串孔的风险，防止钻孔施工期间瓦斯异常。3）利用挂耳迈步钻场所施工的钻孔可以有效控制巷道两帮轮廓线外上帮15 m、下帮25 m的范围，能够超前治理 110505 回风顺槽巷道瓦斯，为矿井瓦斯治理工作超前谋划，确保 110505 回风顺槽掘进期间安全。4）采用大直径钻孔卸压增透措施，提高了瓦斯抽采效果，平均每天瓦斯抽采纯量由 2000 m3增加到 2800 m3，抽采效率提高了 40%，为掘进工作1322023 年第 5 期面快速安全生产创造了有利条件。在地质异常带通过采取瓦斯综合治理技术措施，其中采取大直径钻孔卸压增透措施前后日瓦斯抽放纯量对比见图 5，瓦斯抽采率提高了 40%。图 5 大直径钻孔卸压措施前后瓦斯排放量如图 6 所示，在地质异常带通过采取瓦斯综合治理技术措施，在同等地质条件下，采取注气驱替（置换）煤巷条带煤层瓦斯措施，抽采浓度减小，但抽采流量增大，单日抽采总量增加 50%。图 6 注气前后混合流量曲线【参考文献】1 林海飞，季鹏飞，孔祥国，等.顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践 J.煤炭学报，2022，47(03)：1220-1234.2 闫保永，曹柳，张家贵.煤层顶板裂隙带瓦斯抽采技术与装备探索 J.煤炭科学技术，2020，48(10)：60-663 袁亮，郭华，李平，等.大直径地面钻井采空区采动区瓦斯抽采理论与技术 J.煤炭学报，2013，38(01)：1-8.4 孙文忠.低渗煤层 CO2预裂增透高效瓦斯抽采原理及应用 J.煤炭科学技术，2017，45(01)：100-105.5 曹运兴，张军胜，田林，等.低渗煤层定向多簇气相压裂瓦斯治理技术研究与实践J.煤炭学报，2017，42(10)：2631-2641.6 闫保永，曹柳，张家贵.煤层顶板裂隙带瓦斯抽采技术与装备探索 J.煤炭科学技术，2020，48(10)：60-66.7 石浩.大直径高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及应用 J.煤炭科学技术，2018，46(10)：190-195.8 林海飞，李树刚，赵鹏翔，等.我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展 J.煤炭科学技术，2018，46(01)：28-35.9 闫保永，曹柳，张家贵.煤层顶板裂隙带瓦斯抽采技术与装备探索 J.煤炭科学技术，2020，48(10)：60-66.10 程详，赵光明，李英明，等.软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究 J.采矿与安全工程学报，2020，37(03)：533-542.