＊梁 可

（晋能控股煤业集团晋圣公司 山西 048006）

1.前言

随着矿井开采深度的增大，矿井瓦斯含量随之增加，相应的矿井瓦斯涌出量也相应的提高。成庄矿是年产能达到800万吨的高瓦斯矿井，由于局部区域瓦斯抽采不彻底，局部存在的抽采空白区仍然会存在突出危险性。2005年9月份4220工作面掘进过程中发生了两次瓦斯动力现象，现场观测，该工作面软煤的层坚固性系数f值处于0.2-0.92范围。实测该工作面突出指标均超过相应临界值，并认定该区域在构造作用范围以及煤层变软地带具有煤与瓦斯突出危险。目前该矿采取在掘进工作面迎头施工瓦斯排放孔的方法进行局部防突，但在软煤层中进行钻孔施工时，常会发生喷孔、顶钻及卡钻等现象，很容易诱发煤与瓦斯突出或瓦斯超限事故发生，为避免此类问题出现，不得不停工进行风流稀释，达到缓慢排放的目的，从而导致钻孔施工效率低下，严重制约了掘进进度。

2.超前瓦斯排放孔的作用机理

超前排放孔是我国常用的一种防治煤与瓦斯突出的局部性措施。其适用于突出强度不大、透气性较好、煤质较硬的突出煤层。超前钻孔的作用有两点：其一是引起煤体应力的重新分布，使应力集中带向煤体深处推移；二是排放钻孔周围煤体的瓦斯，从而人为地在工作面前方造成一个卸压带，达到消除突出目的，为了弄清楚掘进工作面前方的应力情况，垂直于工作面打钻孔，并测量K1值（见表1）。

表1 4220巷掘进过程中突出预测情况（71#横川以里60m）

从表1中可以看出，当钻孔进入煤体后，由于靠近工作面部分煤体已预先卸压排放瓦斯，因此K1值变化不大且均匀，可以认为工作面前方5m为卸压带；当钻孔进入4m以外的应力集中带时，不仅K1值增加，而且常发生喷孔现象，这表明钻孔引起了应力和瓦斯的急烈变化，其结果应力缓和瓦斯排放，当钻孔进入正常应力带后，K1值的变化又趋向平缓。

工作面前方施工多个超前钻孔，主要目的是将工作面前方煤体的应力和瓦斯积聚带范围进行人为破坏，即打破煤层原有的覆存状态，使工作面前方的应力集中区和瓦斯富集区向工作面前方更深部的区域转移，使工作面前方形成一个明显的卸压安全区域。现场实践证明，只要能打进钻，打到所要求的深度，保持足够的孔数，做到布孔合理，是能够预防突出的，但现行的钻孔机械不能较好的满足回采工作面打钻工艺的要求，在布孔方面和施工组织上应严格要求。

3.矿井瓦斯防治情况

(1)矿井概况

成庄矿隶属于晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部，1997年投产。井田位于沁水煤田东南隅，太行复背斜西翼，南北走向长9.7km，东西倾斜宽7.0km，面积63.66km2。由于在煤层浅部有地方煤矿侵入，其矿界划分已作部分调整。受晋东南山字型构造和太行山复式背斜的控制，井田内陷落柱较多，分布无明显规律。区内含煤地层为上石炭统太原组和下二叠统山西组，平均厚141.73m，含煤10余层，煤层总厚度14.23m，可采煤层有3号、5号、9号和15号等4层。目前5号、9号和15号暂未进行开采。现进行开采的3号煤层为主要可采煤层，其地质储量为432.131Mt，可采储量为305.435Mt，煤层赋存稳定，全区可采，煤层厚4.75～7.15m，平均厚6.44m，占井田可采煤层总厚度的53%。煤层倾角为3°～15°，一般在10°以下。煤层经鉴定为不易自燃煤层，煤尘也无爆炸危险性。

成庄矿现开采的3号煤层位于山西组下部，沉积稳定，属全区稳定主要可采的厚煤层，煤层厚2.92m～7.68m，平均厚度6.24m，煤尘无爆炸性，为不易自燃煤层，2017年经瓦斯等级测定，得出的矿井瓦斯绝对涌出量406.6m3/min，相对涌出量21.51m3/t。依据实测资料，3号煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0426～0.1327d-1；3号煤层的透气性系数为0.440981～5.972992m2/MPa2·d；根据上表分析，3号煤层属于可以抽放煤层。成庄矿9号煤层透气性系数λ=2.72～5.35m2/MPa2·d，15号煤层透气性系数λ=0.11～0.18m2/MPa2·d，9号煤层平均瓦斯流量衰减系数0.32d-1；15号煤层平均瓦斯流量衰减系数0.079d-1。根据表2所示，9号、15号煤层属于可以抽放煤层。

表2 煤层瓦斯基本参数表

(2)矿井瓦斯治理方法

该矿经过多年瓦斯治理实践，已形成了以“瓦斯抽采全覆盖”“三级瓦斯治理”为技术支撑。开展地面钻井抽采、井下递进式模块、条带区域、顺层密集钻孔抽采、采空区抽采五种抽放模式作为瓦斯治理的抽采模式。

①瓦斯含量大于16m3/t的煤层，采用地面井（300m× 300m）大面积预抽煤层瓦斯，使瓦斯含量降到16m3/t以下，利用5-8年的抽采时间进行区域大面积抽采。

②瓦斯含量处于8-16m3/t的煤层，采用千米钻机实施井下区域递进式预抽采，实现1～3年的超前预抽时间。

③瓦斯含量低于8m3/t的煤层，采用边抽边采掘、采空区抽采等多种综合治理措施，实现采前、采中和采后的多阶段抽采。

(3)瓦斯治理存在的难题

随着矿井不断向深部延伸，煤层瓦斯含量愈来愈大，采掘工作面的需风量也越来越大，而巷道通风断面小、回采距离长，造成回采面风量增大受到限制，致使工作面上隅角瓦斯仍时有超限。

随着矿井采掘活动向纵深发展，煤层含气量越来越大，回采工作面需风量越来越大，而巷道通风断面小，回采距离长，导致回采工作面风量增加受到限制，导致工作面上的角瓦斯仍不时超标。现有的“一进两回”通风系统已不能适应高产高效的要求。同时存在采空区瓦斯突然涌出的状况，造成盘区回风巷瓦斯超限，是矿井安全生产的又一隐患。

针对掘进工作面,掘进巷道时，在巷道巷帮施工抽采钻场，实施“巷帮钻场超前钻孔抽采”，同时在瓦斯涌出异常地点，实施“迎头超前钻孔抽采”；回采工作面时，沿工作面顺槽两侧根据抽放时间的长短采取加密钻孔“顺煤层钻孔抽采”的方式进行强化抽采，利用工作面采动卸压作用，抽放采掘工作面卸压区瓦斯。针对该矿的巷道掘进而言，在巷道掘进之前，均采用千米钻孔对预抽区域进行区域递进式抽采，分析钻孔的轨迹控制范围，对千米钻孔抽采的空白区进行局部加密钻孔，实现强化抽采，实现抽采达标。但目前施工的四盘区4215、4216巷在使用2×55kW风机供风情况下，巷道长度约300m，工作面瓦斯涌出量就达到10m3/min左右，4216增加2×37kW风机后，掘进至500m左右后，因瓦斯涌出量大，工作面被迫停产。在采用掘进钻场抽放、边掘边抽的情况下，巷口瓦斯报警仍时有发生。

4.超前瓦斯排放孔布孔情况

从排放煤层瓦斯与卸压的观点出发，应该偏重大直径的钻孔；从打钻的工艺和安全来说，钻孔的直径应偏小。合理的钻孔直径是，既要满足打钻工艺的要求，又要能达到排放瓦斯，降低地应力的目的。一般认为，通常孔径大于120mm的称之为大直径孔，反之称小直径孔。大直径钻孔排放瓦斯、防突效果较佳，但当小直径钻孔数量与长度都较多和较长时，同样也可起到预想的防突效果。超前钻孔效果是否明显，取决于钻孔的数量和钻孔控制范围，而钻孔的数量多少与排放钻孔的有效影响半径密切相关。钻孔的有效影响半径是指在规定的时间内，能使煤层中突出三大因素下降到安全范围内。

4220巷和4215巷钻孔有效影响半径通过实测得到：当钻孔直径为76mm时，有效半径为0.5-0.75m（排放时间为5h）；当直径为42mm时，有效影响半径仅为0.3m（排放时间为2h）。在突出厚煤层中有些矿井采用长的超前预排钻孔，同样应该指出的是钻孔布置，也就是说，煤巷在掘进全过程中，都应处在钻孔的有效影响半径之内，否则突出仍难以避免；同样要想缩短排放时间，就必须加密布孔。

（1）目前该矿为缩短排放时间，根据突出预测Smax值、K1值采取相应的布孔间距，具体施工过程中严格按4220巷和4215巷预测指标及采取措施一览表中要求组织施工（见表3）。

表3 4220、4215预测指标及采取措施一览表

（2）排放孔孔深设计均为12m，排放孔间距800-1000mm，孔径76mm，两侧边缘孔距巷帮为0.3-0.5m，向外倾出7-12°并超出巷帮2-4m范围，孔数根据巷道宽度确定。施工两排或三排排放瓦斯钻孔时，应尽量采用三花布置（如图1所示）。

图1 瓦斯排放孔施工示意图

5.排放孔施工

4220巷和4215巷掘进过程中，采用ZQSJ-90/25架柱支掌式气动（防突）钻机和ZQS-50/300手持式气动钻机施工排放孔预防煤与瓦斯异常突出。采用超前排放钻孔必须符合以下规定。

（1）超前钻孔尽量布置在软煤质中，若无软煤层时布置在硬煤层的中下部。

（2）超前排放钻孔的直径应依据煤层瓦斯含量、排放时间等因素综合确定，钻孔直径一般选取范围是75-120mm。但工作面前方存在地质构造破坏带或变质程度较高的软分层时，应选取42mm的钻孔施工。

（3）依据《防治煤与瓦斯突出细则》的相关规定，成庄矿3号煤层为缓倾斜煤层时，煤层的超前排放钻孔控制范围为巷道断面轮廓线外2-4m。

（4）超前排放钻孔的钻孔布置数量和钻孔间距，应依据排放钻孔的有效影响半径进行设计，无排放钻孔有效影响半径时，应依据施工经验进行确定，并在后续工作中进行实测考察确定。

（5）必须对超前钻孔进行效果检验，若经检验措施无效，应将钻孔周边100m范围内的煤层均视为防突措施无效，应重新补打钻孔或采取其它补充措施。

6.结论

由于排放钻孔主要采用螺旋钻杆施工，钻孔施工过程中产生的煤粉是靠钻杆上的螺纹机械旋转而被迫向外排出，因而，为保证钻孔施工的深度和高效钻进，应掌握如下要点：

（1）施工前和施工过程中，要准确控制钻孔的水平方位角和倾角，确保钻孔沿着软煤层中下部钻进。由于煤质越软，在软煤中施工的钻孔受周边应力的扰动影响就会越大，受外界破坏的作用就越明显，这也是造成易垮孔和瓦斯喷出的原因。因此，在排放钻孔施工时，要提前对钻孔的位置倾角做出设计，要求现场施工人员严格按设计施工。

（2）保持钻孔连续、匀速钻进。钻进过程中，要保持钻机和钻杆水平，保证钻杆匀速钻进，提前预判煤粉的排出情况，存在煤粉排出不畅时，要反复抽拉钻杆，暂停钻杆钻进以实现煤粉顺利返排。

（3）钻机定位稳固，避免钻机挪动或走位。螺旋钻杆的旋转阻力一方面来自煤渣，另一方面来自于钻杆与孔壁的摩擦。现场发现钻机的旋转力较小时，阻力稍大即被卡住，而钻机移动即造成螺旋与孔壁产生很大的摩察力，易于导致卡钻。