石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究

　第４６卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１　　２０１８年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ􀆰２０１８　石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究曹佐勇１ꎬ２ꎬ王恩元１ꎬ田世祥３ꎬ张光辉４ꎬ汪　皓１ꎬ罗　飞４(１􀆰中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室ꎬ江苏徐州　２２１１１６ꎻ２􀆰贵州煤矿安全监察局ꎬ贵州贵阳　５５０００４ꎻ３􀆰贵州大学矿业学院ꎬ贵州贵阳　５５００２５ꎻ４􀆰贵州松河煤业发展有限责任公司ꎬ贵州盘州　５５３５２６)摘　要:为了解决西南地区煤矿特殊复杂地质条件下石门揭煤瓦斯抽采布孔空间小、钻孔深度较长、难以保证打钻到位及封孔困难的问题ꎬ提出了石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯消突方法ꎬ通过立体式、全覆盖钻孔布置方式ꎬ同时采用钻孔全程下套管ꎬ“两堵一注”水泥带压封孔瓦斯抽采技术ꎬ防止揭煤区域出现瓦斯抽采空白带ꎬ有效降低揭煤区域前方煤层瓦斯含量和瓦斯压力ꎮ工程试验结果表明:通过采用多方位立体式预抽瓦斯消突方法ꎬ揭煤区域煤体连续４５ｄ抽采ꎬ累计抽采瓦斯量３２９７７６􀆰４６ｍ３ꎬ瓦斯预抽率达７０％ꎬ残余瓦斯含量和残余瓦斯压力分别降低为５􀆰８００８ｍ３/ｔ和０􀆰２５ＭＰａꎻ与抽采之前对比ꎬ分别下降了６９％和７９％ꎬ有效地治理了煤与瓦斯突出灾害ꎬ保障了石门揭煤安全ꎮ关键词:石门揭煤ꎻ区域防突ꎻ瓦斯抽采ꎻ煤与瓦斯突出中图分类号:ＴＤ７１３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)０１－０２１９－０５Ｓｔｕｄｙｏｎｒｅｇｉｏｎａｌｏｕｔｂｕｒｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ３Ｄｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅｉｎｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇｓｅａｍａｔｃｒｏｓｓ－ｃｕｔｏｆｍｉｎｅＣＡＯＺｕｏｙｏｎｇ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧＥｎｙｕａｎ１ꎬＴＩＡＮＳｈｉｘｉａｎｇ３ꎬＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｈｕｉ４ꎬＷＡＮＧＨａｏ１ꎬＬＵＯＦｅｉ４(１.ＭＯＥＫｅｙＬａｂｏｆＧａｓａｎｄＦｉｒｅＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｉｎＣｏａｌＭｉｎｅꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ　２２１１１６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＧｕｉｚｈｏｕＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎｏｆＣｏａｌＳａｆｅｔｙꎬＧｕｉｙａｎｇ　５５０００４ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｅꎬＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧｕｉｙａｎｇ　５５００２５ꎬＣｈｉｎａꎻ４.ＧｕｉｚｈｏｕＳｏｎｇｈｅＣｏａｌＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＰａｎｚｈｏｕ　５５３５２６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅａｓｍａｌｌｂｏｒｅｈｏｌｅｌａｙｏｕｔｓｐａｃｅｏｆｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｏｒｅｈｏｌｅｓｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｃｕｔꎬｌｏｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｄｅｐｔｈꎬｈａｒｄｔｏｅｎ￣ｓｕｒｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｂｏｒｅｈｏｌｅｓｅａｌｉｎｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｕｎｄｅｒｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎＳｏｕｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａａｒｅａꎬａｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ３Ｄｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｏｕｔｂｕｒｓｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｖｉｄｅｄｆｏｒｔｈｅｓｅａｍｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇａｔｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｃｕｔｏｆｔｈｅｍｉｎｅ.Ｗｉｔｈｔｈｅ３Ｄａｎｄｆｕｌｌｃｏｖｅｒｅｄｂｏｒｅｈｏｌｅｌａｙｏｕｔｍｅｔｈｏｄａｎｄａｆｕｌｌｂｏｒｅｈｏｌｅｃａｓｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｔｈｅ“ｔｗｏｓｅａｌｉｎｇａｎｄｏｎｅｇｒｏｕｔｉｎｇ”ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄｃｅｍｅｎｔｂｏｒｅｈｏｌｅｓｅａｌｉｎｇａｎｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒｅｖｅｎｔａｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｌａｎｋｉｎｇｚｏｎｅｏｃｃｕｒｒｅｄｉｎｔｈｅｓｅａｍｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇａｒｅａａｎｄｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｅａｍｇａｓｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｔｈｅｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅａｔｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｓｅａｍｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇａｒｅａ.Ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ３Ｄｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｏｕｔｂｕｒｓｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄꎬａ４５ｄａｙｓｃｏｎｔｉｎｕｅｄｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｔｈｅｓｅａｍｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇａｒｅａꎬａｔｏｔａｌｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｖｏｌｕｍｅｗａｓ３２９７７６.４６ｍ３ꎬｔｈｅｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅｒａｔｅｗａｓｒｅａｃｈｅｄｔｏ７０％ａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｇａｓｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｗｅｒｅｒｅｄｕｃｅｄｔｏ５.８００８ｍ３/ｔａｎｄ０.２５ＭＰａｉｎｄｉ￣ｖｉｄｕａｌｌｙ.Ｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｂｅｆｏｒｅｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄꎬｔｈｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｇａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｅｒｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙ６９％ａｎｄ７９％ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ.Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔｄｉｓａｓｔｅｒａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｓｅａｍｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇａｔｔｈｅｃｒｏｓｓｃｕｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇｓｅａｍａｔｃｒｏｓｓ－ｃｕｔｏｆｍｉｎｅꎻｒｅｇｉｏｎａｌｏｕｔｂｕｒｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎꎻｇａｓｄｒａｉｎａｇｅꎻｃｏａｌａｎｄｇａｓｏｕｔｂｕｒｓｔ收稿日期:２０１７－１０－３０ꎻ责任编辑:王晓珍　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰０１􀆰０３１基金项目:安全生产重特大事故防治关键技术科技资助项目(ｇｕｉｚｈｏｕ－０００１－２０１７ＡＱꎬｇｕｉｚｈｏｕ－０００３－２０１７ＡＱ)ꎻ江苏高校优势学科建设工程资助项目(ＰＡＰＤ)作者简介:曹佐勇(１９８２—)ꎬ男ꎬ贵州安龙人ꎬ工程师ꎬ博士研究生ꎮＥ－ｍａｉｌ:ｃａｏｚｕｏｙｏｎｇ􀆰ｃ＠ｑｑ􀆰ｃｏｍ引用格式:曹佐勇ꎬ王恩元ꎬ田世祥ꎬ等􀆰石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１):２１９－２２３􀆰ＣＡＯＺｕｏｙｏｎｇꎬＷＡＮＧＥｎｙｕａｎꎬＴＩＡＮＳｈｉｘｉａｎｇꎬｅｔａｌ􀆰Ｓｔｕｄｙｏｎｒｅｇｉｏｎａｌｏｕｔｂｕｒｓｔｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ３Ｄｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅｉｎｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇｓｅａｍａｔｃｒｏｓｓ－ｃｕｔｏｆｍｉｎｅ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１):２１９－２２３􀆰９１２２０１８年第１期煤炭科学技术第４６卷０　引　　言煤与瓦斯突出是一种由地应力、瓦斯压力与煤岩体内部结构共同主导ꎬ由采掘工程、机械振动等作为诱因而引发的极具破坏能量的复杂煤岩体动力灾害现象ꎬ对矿井安全生产造成巨大的威胁[１]ꎮ由于采掘施工和开采的扰动ꎬ煤岩体原有应力平衡状态被打破ꎬ原始承压状态由均衡转为异常ꎬ出现应力集中区ꎬ在地应力和瓦斯压力的共同作用下ꎬ当集中应力超过煤岩体自身物理强度时ꎬ煤岩体出现破碎ꎬ并释放弹性潜能ꎬ如果初始时刻涌出的瓦斯足够多ꎬ会使煤体内部裂隙扩展并使煤体失稳抛出ꎬ造成突出事故[２－５]ꎮ在各类突出事故中ꎬ以石门揭煤突出平均强度最大ꎬ安全风险最高ꎬ一般为发生在揭煤前及揭煤过程中的连续突出或揭煤后的延期突出[６]ꎮ因此ꎬ石门揭煤防突成为了煤矿安全生产的重中之重ꎬ国内外学者对石门揭煤的突出机理和防治措施也展开了十分深入的研究ꎬ目前比较成熟的石门揭煤突出防治技术有:穿层预抽煤层瓦斯、水力压裂、水力冲孔、金属骨架、松动爆破、煤层注水和煤体固化等[７－１５]ꎮ虽然突出防治技术不断创新完善ꎬ但石门揭煤突出事故仍时有发生ꎬ在我国西南地区尤为严重ꎮ西南地区煤矿普遍具有地质构造复杂、局部构造应力异常、煤层赋存状态变化大、煤层透气性差等特点ꎬ特别是盘江矿区还受煤层数量多、层间距小的影响[１６]ꎮ采用传统的掘进工作面施工钻孔抽采瓦斯ꎬ存在以下问题:①揭煤需要控制范围较大ꎬ施工钻孔数量较多ꎬ钻场空间小、施工困难ꎬ难以保证打钻到位和封孔质量ꎻ②近距离多煤层群开采ꎬ石门巷道需同时揭开多个煤层ꎬ最深钻孔长达百米以上ꎬ难以保证钻孔终孔位置到达预定范围ꎬ可能会存在抽采空白带ꎻ③煤层顶底板多为泥岩ꎬ遇水膨胀ꎬ煤层松软ꎬ机械强度低ꎬ在巷道开挖应力扰动和钻孔施工多重应力损伤下ꎬ裂隙发育ꎬ容易塌孔ꎬ难以保证钻孔成孔质量等ꎮ若采用单一常规的方法ꎬ预抽瓦斯时间长ꎬ难以消除突出危险性ꎬ急需研究适合西南地区煤矿特殊复杂地质条件的揭煤新技术ꎮ基于此ꎬ笔者提出了石门揭煤多方位立体式预抽煤层瓦斯方法ꎬ通过立体式、全覆盖钻孔强化瓦斯抽采ꎬ降低煤层瓦斯含量、工作面前方瓦斯梯度ꎬ减小瓦斯内能ꎻ同时抽采钻孔施工使钻孔周围煤体卸压ꎬ提高煤体强度ꎬ降低煤体弹性潜能ꎬ达到防突的目的[１７－２０]ꎮ笔者阐述了石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯的原理及方法ꎬ以期对西南地质条件下的高效安全揭煤提供指导ꎮ１　多方位立体式预抽瓦斯消突方法石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯的技术实施方法如图１所示ꎮ即:石门揭煤之前ꎬ在揭煤工作面后方巷道一帮布置左(右)钻场ꎬ控制石门揭煤巷道顶部区域煤层ꎻ在揭煤工作面布置正向钻场ꎬ控制石门巷道过煤门及两帮揭煤区域ꎻ在石门揭煤工作面后方施工１条底板瓦斯治理专用巷ꎬ布置底板钻场控制石门揭煤巷道底部区域煤层ꎮ左(右)－正向－底板钻场形成的瓦斯抽采区域ꎬ控制石门巷道顶部、底部、过煤门及两帮揭煤的三维立体空间ꎬ构建形成石门揭煤的多方位立体式预抽瓦斯技术体系ꎮ１—石门揭煤工作面ꎻ２—左(右)钻场ꎻ３—底板瓦斯治理巷ꎻ４—底板瓦斯治理巷钻场ꎻ５—穿层钻孔ꎻ６—煤层ꎻ７—直接顶ꎻ８—直接底ꎻ９—基本顶ꎻ１０—基本底图１　多方位立体式预抽瓦斯揭煤方法示意Ｆｉｇ􀆰１　Ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇｃｏａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｍｕｌｔｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ３Ｄａｎｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇａｓｐｒｅ－ｄｒａｉｎａｇｅ分析石门揭煤突出机理可知ꎬ多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术搭建了立体的瓦斯抽采体系ꎬ防止出现抽采空白带ꎬ降低钻孔周围原始地应力ꎬ增加煤层透气性ꎬ强化煤层瓦斯抽采ꎬ有利于抽采区域煤层弹性潜能和瓦斯内能的释放ꎬ降低了突出发生的动力ꎮ同时ꎬ强化抽采使得煤体收缩变形ꎬ增强煤体的机械强度和稳定性ꎬ增大了突出的阻力ꎬ从而保证揭煤安全ꎮ２　工程试验２􀆰１　工程概况盘江矿区松河煤矿１１２回风石门将预揭１８号煤层ꎬ由于１７、１８号煤层在揭煤地点合并ꎬ合并后煤层厚度为５􀆰５ｍꎬ煤层平均倾角为２８°ꎮ顶板为粉砂岩、泥质粉砂泥岩ꎬ厚３􀆰５ｍꎻ底板为砂质泥岩ꎬ厚度为１􀆰６ｍꎮ揭煤段埋深为５６０ｍꎬ附近有Ｆ１０断层对瓦斯０２２曹佐勇等:石门揭煤多方位立体式预抽瓦斯区域防突技术研究２０１８年第１期赋存有一定影响ꎮ在１１２回风石门工作面距１８号煤层法向距为３２ｍ时ꎬ施工５个探测孔ꎬ实测１８号煤层瓦斯压力为１􀆰２ＭＰａꎬ瓦斯含量１８􀆰６１ｍ３/ｔꎬ普氏系数ｆ＝０􀆰３２ꎬ瓦斯放散初速度ΔＰ＝１６􀆰５ꎮ可见ꎬ该石门揭煤区域具有很强的突出危险性ꎬ并且瓦斯储量大ꎬ若单一采用在工作面布置正向钻场预抽瓦斯ꎬ预计瓦斯抽采达标时间５~６个月ꎮ２􀆰２　预抽瓦斯技术方案１)多方位立体式强化瓦斯抽采ꎮ为了降低煤层瓦斯内能ꎬ防止