松软、低透气及底板论文：易变形煤层瓦斯治理实践

　　松软、低透气及底板论文：易变形煤层瓦斯治理实践

　　一、15 煤层工程概况

　　小青煤矿隶属于铁煤集团，核定生产能力 1.2Mt/a，主要开采 4#、7#、15#煤层，属于高瓦斯矿井。15 煤层煤厚 1.07~1.84m，平均 1.36m，全区可采。一般含夹石 1~2 层，局部 3~4 层，夹石厚度在 0.30m 以下，结构属较简单—复杂。煤层直接顶板为 K2 灰岩，厚度 9m 左右。伪顶为泥岩、砂质泥岩，偶为粉砂岩。底板以黑灰色泥岩、铝土质泥岩为主。煤层在局部地段存在煤质变松软现象，变松软厚度 0.20~0.80m。原始瓦斯含量6.23~7.15m3/t，瓦斯压力 0.25~0.42MPa，透气性系数为 1.01~2.05m2/（MPa2•d），平均 1.53m2/MPa2•d）；钻孔瓦斯流量衰减系数为 0.040~0.101d-1，平均 0.071d-1，属较难抽放—可以抽放煤层。

　　二、15 煤层掘进巷道遇松软煤层瓦斯治理

　　为防止因软煤片帮出现的瓦斯超限事故，需从两方面着手解决，一方面是减少软煤层中瓦斯含量，另一方面是预防煤体片帮。

　　1、松软煤层施工瓦斯排放钻孔

　　掘进区域经过有效预抽后，在掘进巷道遇软煤期间，应补充施工瓦斯排放钻孔，减少软煤中瓦斯含量。瓦斯排放钻孔的效果是否明显，取决于钻孔孔径和钻孔有效影响半径，钻孔直径越大，其有效影响半径越大，排放瓦斯能力越强。通常钻孔有效影响半径为钻孔直径的 4~5 倍，当钻孔孔径为 75mm 时，有效影响半径 0.4~0.5m。钻孔施工长度一般为 10m。

　　如图 1 示，矿井在生产实践过程中软煤层内瓦斯排放钻孔直径 75mm，钻孔布置间排距 0.4m，钻孔深度 10m，排放时间不少于 4h。钻孔使用锚杆钻车或手持式风动钻机进行施工，水排渣工艺。需要特别注意的是，15#煤层一般为Ⅱ类自燃煤层，采用风排渣工艺存在着火隐患。

　　图 115 煤层掘进面瓦斯排放孔布置示意图

　　2、强化支护预防煤体片帮措施

　　15 煤掘进面处于上覆 4#、7#煤层实体煤柱的应力集中区域或邻近贯通点（距贯通点小于等于 10m）时，掘进面松软煤层易片帮，应强化支护方式，预防煤体片帮。 采取缩小巷道支护排距，排距由 1.4m/排缩小至 1m/排；缩短巷道支护距离，顶、帮锚杆紧跟掘进面及时支护，即掘一排支一排，最大空顶距不超过 1.6m，最小控顶距不超过 0.6m。

　　三、15 煤层提高抽采钻孔成孔率及效果的措施

　　15 煤层采面主要采取顺层钻孔治理本煤层瓦斯，生产过程中，通过改进施钻工艺、钻具及封孔工艺，提高钻孔成孔率及抽采效果。

　　1、改进施钻工艺

　　（1）钻孔方向。施工顺层钻孔时宜施工上行钻孔，利于排渣。施工下行孔时，孔内钻屑排泄不畅，孔内容易积水，对成孔质量影响较大。

　　（2）钻机及钻具的选择。在软煤层内施工钻孔时，应选择转速快的钻机，选择螺旋钻杆或三棱钻杆，便于施钻煤粉顺利排出，能有效提升钻孔施工长度，减少压钻事故率。小青煤矿使用 ZDY4000LP 型液压钻机配套 73mm×1.5m 螺旋钻杆，在 15 煤层回采面施工孔径 94mm 的本煤层顺层钻孔平均长度 180m，抽采钻孔可覆盖回采面倾向长度。

　　（3）施钻工艺。使用钻孔二次套孔工艺，顺层钻孔施工到位后，重新对成孔后钻孔进行一次套孔施工，防止堵孔；使用清水施工顺层钻孔，杜绝使用施钻循环水，防止循环水中的固相颗粒在钻孔施工中结合煤渣堵塞钻孔；在应力集中区施工顺层钻孔时，推荐使用全孔段下筛孔管的护孔工艺。

　　2、改进封孔工艺

　　15 煤顺层钻孔使用“两堵一注”封孔工艺，如图 2 所示，使用Ф50mm封孔管，封孔深度 8m，封孔段长度 7m，其中囊袋注浆长度 2m，囊袋间注浆长度 5m，囊袋及囊袋间（二次注浆段）注浆压力均为 1MPa。注浆材料使用高标号水泥、水玻璃、速凝剂及水，在一定的配比下，使封孔材料有一定的膨胀变形，保证封孔严密。通过加长顺层钻孔封孔长度，有效提升了顺层钻孔孔口压力，孔口压力保持在 15~17kPa。

　　图 2 “两堵一注”封孔工艺示意图

　　3、抽采效果对比

　　小青煤矿 15 煤层采面倾向长度一致，均采用本煤层顺层钻孔抽采瓦斯。

　　未采取上述措施前，采面顺层钻孔平均长度 100~130m，平均瓦斯抽采浓度 5%~18%，平均瓦斯抽采纯量 3.09m3/min，经过 6 个月抽放，抽放总量 72.5 万 m3。 通过在采面改进施钻及封孔工艺后，采面顺层钻孔平均长度 150m，平均瓦斯抽采浓度 27%~33%，平均瓦斯抽采纯量 6.83m3/min，经过 6 个月抽放，抽放总量 181.8 万 m3。见下表 1。

　　四、15 煤层易底臌区永久密闭施工方法

　　15 煤层易底臌区永久密闭施工方法：一是永久密闭底部墙体基础采用龙骨地梁结构；二是永久密闭墙体采用砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙。

　　1、龙骨地梁结构

　　永久密闭墙体底部基础采用龙骨地梁结构，即钢龙骨浇注混凝土方式，如图 5 所示，具体为：

　　（1）底部掏槽：深度 600mm，宽度 1800mm，并接实帮。

　　（2）龙骨分为上下两层，采用工字钢结构，下层使用 16#工字钢 3根，每根长度 4500mm，横排布置于沟槽内，排间距 1100mm，上层使用16#工字钢 3 根，每根长度 1500mm，竖排布置于下层工字钢上，排间距1500mm，上层与下层工字钢连接处，使用 8#的铁丝 4 股进行十字交叉捆绑，确保下层与上层工字钢连接稳固。

　　（3）龙骨安装好后，在龙骨内浇注混凝土，浇注高度为 400mm（高出龙骨 100mm），混凝土比例水泥∶黄沙∶石子=1：2：4，混凝土要浇严密实在。

　　2、耐爆型防火密闭墙

　　砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙如图 6 所示，具体为： （1）墙体结构：砖墙—黄土—砖墙耐爆型防火密闭墙分为外墙、内墙和黄土夹层，内、外墙体厚度分别为 500mm，两墙之间充填 500mm 厚被捣实的黄土夹层。 施工时，先砌内墙，内墙施工完毕后，一边施工外墙，一边充填黄土，黄土夹层要夯实。在密闭墙距顶板大于 400mm 时，要向下将黄土层捣实；在密闭墙距顶板小于 400mm 时，要向侧面将黄土层捣实。

　　（2）墙体留设管路：在墙体距顶板 300mm 处设置措施管，管径Φ108mm，外加堵头；在距底板 2/3 处设置观测孔管，管径Φ50mm，外加阀门；在距观测孔 300mm 处设置抽放管，管径Φ108mm，联入抽放系统；在距底板 300mm 处设置放水管，管径Φ50mm，外加阀门。

　　表 1 抽采效果对比

　　图 3 抽采纯量对比曲线图

　　图 4 抽采浓度对比柱状图

　　图 5 永久密闭墙底部基础--龙骨地梁结构图

　　图 6 砖墙-黄土-砖墙耐爆型防火密闭墙剖面图

　　结束语

　　通过铁煤集团小青煤矿 15 煤层瓦斯治理实践，总结和细化了一系列瓦斯治理措施，为铁煤集团其他矿井的瓦斯治理提供了方法和经验。15煤层煤质软，透气性低，底板易变形，具有一定的参考价值。