1、专题部分底板抽放巷在瓦斯治理中的应用及问题研究摘要：为了降低单一突出煤层煤巷掘进突出危险性，研究了运用煤层底板抽放巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯为主的区域消突措施，通过增加煤层透气性和合理布置钻孔位置，使煤层卸压，瓦斯含量与压力降低，改变煤体应力分布，消除突出危险性。在穿层预抽钻孔的工过程中， 进行了预裂爆破、高压冲孔等增透技术的研究， 提高了煤层的透气性， 增加了瓦斯抽采量， 区域瓦斯治理效果明显。关键词：底抽巷 穿层预抽 增透 钻孔 一巷两用0概况瓦斯抽采是区域瓦斯治理技术的关键，有效地抽出开采区域内的瓦斯，对于降低瓦斯压力、消除煤与瓦斯突出有着重要的作用。在防治煤与瓦斯突出规定颁布实施以后，明确
2、要求突出煤层必须按照一定的顺序选取区域瓦斯治理措施。其中，顶底板岩巷穿层抽采技术是其中一项重要的内容，顶底板岩巷穿层预抽技术是通过在施工的顶底板岩巷内向采掘作业范围内的煤体中施工预抽钻孔，在不扰动突出煤层的情况下，通过预抽提前消除煤与瓦斯突出危险。因此，钻孔的预抽效果直接决定了区域瓦斯治理的成败。在煤矿开采过程中，随着开采深度增加和开采强度增大，煤层瓦斯含量和地应力增大，突出危险程度更为严重；伴随有灾害强度大，防治困难和灾害损失严重等特点。原有的排放钻孔、卸压钻孔、浅孔松动爆破、边掘边抽等接触式局部瓦斯治理措施，已不能有效地解决措施施工和掘进相集中的问题，致使采掘失调。根据多年的实践和现场应用
3、证明，区域瓦斯治理能够更有效地进行消突和防突，由区域治理代替局部瓦斯治理，由接触式向非接触式、由局部预测预报向区域性安全评价转换，是解决一切问题的关键。瓦斯突出多数发生在煤巷掘进头，统计数据显示占所有突出次数的 70.2%，煤巷掘进过程中频繁的突出成为制约矿井安全的主要因素。通过底抽巷向采掘区域施工抽采钻孔，预抽采掘进迎头瓦斯，降低掘进范围内的煤与瓦斯突出危险，对于煤巷的安全快速掘进具有重要作用。底抽巷为上、下两个工作面回采巷道掘进服务，经受多次采动影响，围岩变形比较严重，维护比较困难，通过改变底抽巷炮掘施工工艺方式、提高支护强度和加强顶板管理等在底抽巷围岩控制中取得了良好的效果。瓦斯抽采是防
4、治瓦斯灾害的主要措施先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯防治十二字方针和“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的瓦斯综合治理“十六字”工作体系明确了瓦斯抽采在瓦斯治理中的基础地位目前，我国绝大部分突出矿井和高瓦斯矿井都建立了地面瓦斯抽采系统或井下移动瓦斯抽采系统，由于在抽采成本控制、抽采工期以及抽采效果等方面存在的一些问题，导致一些煤矿抽采系统建设不合理，抽采效果不明显，有些甚至成为了摆设如何通过提高抽采巷道的利用效率来降低瓦斯抽采成本 、提高瓦斯抽采效果是值得探讨的问题。本文在对底抽巷 和“一进双回”工作面外侧回风巷3种典型巷道抽采方法进行分析的基础上，提出了相应的“一巷两用”瓦斯抽采技
5、术，即在实现巷道原有瓦斯抽采功能的基础上实现另一种瓦斯抽采功能，以提高瓦斯抽采巷道 的利用率。1条带区域防突机理目前区域防突技术只有开采保护层和预抽煤层瓦斯两大类。开采保护层是最有效的防突措施，但对于单一厚煤层来说，缺乏开采保护层的条件，所以只能采用预抽煤层瓦斯措施。底板抽放巷穿层钻孔条带区域预抽是通过向突出煤层巷道及其两侧一定范围内打大量的密集钻孔使煤体区域卸压，同时抽放瓦斯释放其潜能，然后再经过较长时间的预抽煤层瓦斯使瓦斯压力与瓦斯含量进一步降低，并由此引起煤层的收缩变形、地应力下降、透气系数增高、地应力与瓦斯压力梯度减小和煤的普氏系数增加等变化，从而达到消除在煤巷掘进过程中突出危险性目的
6、。提高瓦斯抽放率是制约瓦斯抽放的关键技术环节，煤层瓦斯抽放效果的主要因素除了煤层本身含瓦斯条件外，还取决于煤层透气性及钻孔工艺参数、钻孔孔底间距。钻孔孔径根据技术水平、煤体硬度及抽放半径确定，选择 75 110 mm 为宜； 抽放时间和有效抽放半径成正相关关系。钻孔经过有效抽放周期 3 6 月后，瓦斯抽放效率逐渐降低，可采取深孔预裂爆破、水力冲孔、煤层注水等增透技术提高煤层透气性系数和瓦斯抽放率。选择最佳的抽放钻孔参数对提高煤层瓦斯抽放率具有重要的意义。2 穿层预抽钻孔增透措施 目前大多数高瓦斯矿井的煤层透气性差， 为提高瓦斯抽采效果， 必须采取针对性的增透技术措施。国内在增加煤层透气性方面试
7、验了水力压裂法、水力割缝法、水力空穴法、深孔预裂爆破法、静电法等， 虽有一定效果， 但因机具等方面的原因存在一定的不足； 现在主要采取增加钻孔在煤层内的暴露面积、布孔密度和立交钻孔等措施。与国内外相关技术研究比较， 焦作矿区煤层无法实现层外抽放技术措施， 结合焦作矿区的煤层赋存特点， 在提高煤层透气性方面进行的研究， 包括提高钻孔有效影响半径和改变煤体裂隙发育状态等方面。大直径钻孔试验、变径扩孔试验等属于提高钻孔有效影响半径的方式， 深孔预裂爆破则属于提高煤体裂隙发育程度的方式。在岩巷施工预抽钻孔期间， 选择钻孔分别采取预裂爆破、高压水冲孔等不同技术进行煤层增透试验。3预裂爆破增透技术预裂爆破
8、增透技术是通过在穿层钻孔内放入药卷，有控制地进行深孔内爆破， 之后对爆破范围内的穿层钻孔进行强化抽采。综合爆破作用的各学派观点认为，在低透气性煤层中的爆破作用表现在以下几个方面：爆破冲击波(应力波)的作用，在于使煤岩体中产生裂纹，将原始损伤裂纹进一步扩展；爆生气体的作用，楔入煤岩体，使节理、裂隙、孔隙贯通，降低瓦斯压力；爆炸能量和爆炸热对煤体加热，促进吸附瓦斯转化为游离瓦斯。炮孔装药结构是预裂爆破法致裂过程中的关键一环，它直接关系到爆破致裂的效果。为提高爆破效果，研究了优化的装药工艺和爆破方式。装药时用竹板上、下错步扣住药卷， 炸药卷与炸药卷之间必须彼此接触，从预裂管和炸药顶端开始敷设导爆索，
9、 导爆索和炸药要紧密接触。封孔段用黄沙和黄泥进行充填。3.1深孔控制爆破的实施3.1.1孔径的选择孔径的大小直接影响钻眼效率、钻孔数目、炸药单耗和裂纹扩展数目。根据煤层和围岩的岩性、尽可能形成更大的范围的贯通裂隙的要求以及打钻设备的能力、炸药性能等加以综合分析和选择。根据平煤股份公司各矿经验、钻具和八矿几十年的爆破经验，爆破孔孔径为75 mm。控制孔直径对提高煤层透气性的作用在一定范围内是有限的。受现场打钻设备和工艺安全( 孔径过大容易引起塌孔、卡钻等事故) 以及地质因素的限制，一般在 70 150 mm 之间可达到导向和补偿作用。根据类似矿井条件经验和八矿的实际情况，试验孔径取 75 mm。
10、3.1.2钻孔深度井下在防治瓦斯突出中应用的顺层布置钻孔，深度可以达到 50 160 m。根据试验区工作面的具体情况，主要为解决风巷掘进期间煤与瓦斯，在高位巷布置穿层钻孔，孔深 15 30 m，控制风巷上帮 20m、下帮 10 m 的条带区域。3.1.3爆破孔与控制孔间距当煤层条件一定时，孔间距的大小应与爆破孔和控制孔的直径相匹配，在一个较合理的范围内，才有利于裂隙的形成和发展，有利于提高煤层的透气性。合适的间距应使爆破孔和控制孔间形成贯穿裂缝。深孔控制预裂爆破引起煤产生裂隙，形成裂隙圈，提高了煤层透气性。但由于煤层瓦斯的压差和其流动性，使预裂爆破的抽放半径( 影响半径)大于裂隙圈的半径。根据
11、现场实际爆破经验爆破孔和控制孔间距为4 8 m。3.1.4爆破 装药参数确定在现场试验中，根据实际情况，选用了三级煤矿许用水胶炸药 30 mm 330 mm，净重330 g。采用穿层钻孔，孔口为岩石段，孔底及中部为煤层，封孔较容易，为更好的对煤体进行松动，选用正向起爆。炸药单耗量 0 95 kg/m； 爆破孔装药段要求进入煤层顶板岩石1 m，单孔装药长度一般为6 8 m，单孔装药量在 5 7 7 6 kg； 人工黄泥封孔，封孔长度 8m。3.2深孔预裂爆破技术的工艺流程3.2.1布孔方式掘进工作面布置3个钻孔，如图l所示。其中爆破孔2个，控制孔1个，爆破孔与控制孔布置在同一水平，其布孔参数见表
12、1。3.2.2爆破工艺1）打钻：根据现场条件，技术人员应准确确定钻机的位置和角度后打钻，记录钻孔长度，同时确定装药的长度。钻孔打好后，尽量使钻孔煤渣排出，当钻杆拔出后，立即探孔验证孔深，为防止垮孔，验孔完毕即装药，其装药参数见表1。2）装药方式：每个爆破孔使用特制专用药管进行装药 (控制孔不装药)，采用正 向装药方式，其专用炸药管技术性能参数如下：3）封孔方式：装药完毕，随即采用专用封孔器用略潮的黄土进行封孔，压风风压为0.4一0.6MaP。封孔时应注意用麻袋片护住孔 口，以免煤泥砂冲出伤人。4）放炮前关闭进人 该掘进工 作面巷旁抽放系统总阀，防止爆破孔与抽放孔沟通破坏抽放系统。放炮后立即打开
13、抽放系统总阀进行抽放。3.3预裂爆破增透效果3.3.1抽采瓦斯量进风巷8寸瓦斯抽采孔板瓦斯抽出量比预裂爆破前平均增加1019% ，最大增加 2115% ，见图3.2。 图3.2 抽出量曲线图3.3.2 预裂爆破孔影响的范围预裂爆破后， 爆破孔以里916m、1116m处和以外4 m、8m处的瓦斯抽采孔抽采量减少， 其他钻孔的抽采量都是增加的；70d后所有钻孔的抽采量都比预裂爆破前增加， 百米钻孔瓦斯流量比预裂爆破前增大。钻孔瓦斯抽采量变化见图3.3。图3.3 钻孔瓦斯抽采量变化3.3.3 增透性效果爆破后，钻孔瓦斯抽采量提高，衰减系数成倍降低，表现出了明显的增透效果。试验期间的考察曲线，如图3.
14、4所示。由图3.4可以看出， 爆破后较短的时间内瓦斯抽采量增加幅度较大， 虽然很快有所衰减，但衰减系数由 0 0260 0301d-1降至 0 0039 0 0054d-1，可见煤层透性系数得到了明显增加。图3.4 爆破后的瓦斯含量4水力冲孔增透技术4.1水力冲孔工作原理水力冲孔防突措施是指在底板岩巷施工穿层钻孔，在岩柱掩护下，使用高压水射流冲击钻孔周围的煤体，造成煤体破碎使之部分排出，煤体内部原有的应力和瓦斯的稳定平衡状态被打破，冲出大量的煤体和瓦斯，形成孔洞。在地应力作用下，孔洞周围煤体向钻孔方向移动，使孔洞附近煤体卸压，同时释放大量瓦斯，大幅度增加孔洞周围煤体的透气性，有效地提高了抽放效
15、果，起到综合防突的作用。4.2水力冲孔工艺设备及流程水力冲孔系统由乳化液泵、水箱、压力表、防喷装置和喷头等组成。选用额定压力为 30 MPa、额定流量为 200 L/min 乳化液泵，为便于操作和控制，乳化液泵安装有压力表和卸压阀门等附件，水箱容积1 000 L，高压管路选用内径 25 mm 高压胶管。水力冲孔是利用冲孔钻具在全液压钻机的作用下，冲孔割刀在钻孔内来回运动，在高压水射流作用下，对煤体进行冲刷，剥落和冲出的水煤被排出。接头密封的钻杆当作导流杆，利用高压水表和压力表测定冲孔水量并保持冲孔水压。 图4.1 自动变径扩孔增透切割钻具示意图4.3水力冲孔试验4.3.1钻孔布置选定 3号、 6号、 7号钻孔进行水力冲孔， 其余孔作为考察孔。钻孔布置如图4.2所示， 每组钻孔共设计 9个钻孔， 各钻孔采取间隔 4-5m的布置方式。每组钻孔直径均为113mm。钻孔采用108mm以上的钻头开孔，确保排渣顺利。要求钻孔必须穿透煤层的顶(底)板0.5m， 施工结束后退出钻杆。同时要安装防喷装置，并用锚杆固定结实。图4.2 钻孔布置图钻孔施工使用 SGZ - 300型钻机，采用113mm
