Research on full-life cycle gas treatment technology based on floor rock roadway
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摘要: 对于缺乏开采保护层条件的矿井，底板岩巷条带预抽煤层瓦斯是主流瓦斯治理方法。分析指出底板岩巷在实际应用中存在空间层位选择差异较大、 穿层冲孔致煤巷围岩稳定性差、底板岩巷掘进造价高且利用效率低等问题。以底板岩巷为基础，考虑整个煤炭生产过程中的瓦斯问题，提出了基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术，形成了“层位优选−穿层冲孔−穿层注浆−采动抽采−矸石回填”五位一体的瓦斯综合治理模式。以首山一矿为例，通过测定采煤工作面地层的岩石力学性质，基于数值方法分析了巷道掘进和工作面回采条件下底板岩巷的稳定性，根据围岩损伤特征和采动围岩应力分布，确定了将底板岩巷布置在采煤工作面运输巷下部16 m、与上部运输巷内错1 m位置。对底板岩巷穿层水力冲孔钻孔布置进行优化，设定了组间距6.4 m、每组按单双号交错打孔的方案，通过测定水力冲孔钻孔残余瓦斯压力得出水力冲孔有效影响范围超过4 m，钻孔瓦斯浓度较高、衰减较慢，条带预抽效果良好。通过穿层注浆技术改善上部破碎煤体性质，钻孔窥探显示经过穿层注浆加固后的煤体强度提高、破碎程度降低，巷帮变形量监测结果表明巷道围岩整体稳定性较好、煤层强度提高，钻屑量监测结果表明注浆加固范围超过5 m，有效降低了巷道掘进的突出危险性。通过底板岩巷穿层钻孔，对工作面回采期间采动卸压瓦斯进行抽采，发现采动有效影响范围为采煤工作面前方50 m，采动影响区内瓦斯抽采效果良好，采煤工作面风流瓦斯体积分数降低至0.45%以下，有效降低了采煤工作面瓦斯浓度。回采结束后，设计了底板岩巷矸石回填方法，以降低矸石出井成本，提高巷道利用效率。Abstract: For mines lacking conditions for mining protective layers, pre extraction of coal seam gas from floor rock roadway strips is the mainstream gas control method. The analysis indicates that there are problems in the practical application of the floor rock roadway, such as significant differences in the selection of spatial layers, poor stability of the surrounding rock of the coal roadway caused by through layer punching, high excavation cost, and low utilization efficiency. Based on the floor rock roadway and considering the gas problem throughout the entire coal production process, a full-life cycle gas treatment technology based on floor rock roadway is proposed. It forms a five-in-one gas comprehensive treatment model of "layer optimization, through layer punching, layer grouting, mining extraction, and gangue backfill". Taking Shoushan No.1 Coal Mine as an example, by measuring the rock mechanics properties of the strata in the coal mining face, the stability of the floor rock roadway under the conditions of roadway excavation and mining face is analyzed based on the numerical method. Based on the characteristics of surrounding rock damage and the distribution of stress in the mining surrounding rock, it has been determined to arrange the bottom rock roadway at a position of 16 meters below the mining face transportation roadway and 1 meter inboard from the upper transportation roadway. The layout of hydraulic punching holes in the floor rock roadway is optimized. The group spacing is set to be 6.4 meters. The interleaving drilling is arranged by odd and even numbers for each group. By measuring the residual gas pressure of hydraulic punching holes, it is found that the effective influence range of hydraulic punching holes exceeds 4 meters. The hole gas concentration is high and the decline is slow. The strip pre-extraction effect is good. The though layer grouting technology is used to improve the properties of the upper broken coal body. The drilling observations show that the strength of the coal body after through layer grouting reinforcement is increased and the degree of fragmentation is decreased. The monitoring results of the deformation of the roadway side show that the overall stability of the surrounding rock of the roadway is good. The strength of the coal seam is increased. The monitoring results of the amount of drilling debris show that the grouting reinforcement range exceeds 5 meters, effectively reducing the risk of outburst in the roadway excavation. Through drilling through the floor rock roadway, the pressure relief gas extracted during the mining process of the working face is extracted. It is found that the effective influence range of mining is 50 meters in front of the coal working face. The gas extraction effect in the mining-affected area is good. The gas concentration in the air flow of the coal working face is reduced to below 0.45%, effectively reducing the gas concentration in the coal mining face. After the completion of mining, a method of backfill gangue in the floor rock roadway is designed to reduce the cost of gangue extraction and improve the utilization efficiency of the roadway.
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0. 引言
2022年我国能源消费总量为54.1亿t标准煤，同比增长2.9%，其中煤炭产量45.6亿t，煤炭消费量占能源消费总量的56.2%，同比增长4.3%，彰显了煤炭在我国能源结构中仍占据主导地位[1-2]。伴随煤炭能源消耗量增长的是浅层煤炭资源日益枯竭，我国东部矿区千米级深井已有近50座，且目前仍以10~25 m/a的速度向深部延伸[3-5]。深部煤体渗透性差，高应力条件导致大量瓦斯吸附于煤基质中，瓦斯治理困难[6-7]。巷道掘进和工作面回采期间，残留于煤基质中的吸附瓦斯卸压释放，易导致瓦斯事故，威胁煤矿安全生产。我国规定高瓦斯矿井及突出矿井必须先治瓦斯再采煤，对于缺乏开采保护层条件的矿井，底板岩巷条带预抽煤层瓦斯是主流瓦斯治理方法。平顶山矿区、晋城矿区、淮北矿区、淮南矿区等均采用底板岩巷条带预抽煤体瓦斯技术[8-12]。
然而就底板岩巷而言，当前的应用仍存在诸多问题：① 底板岩巷空间层位选择差异较大。根据实践经验，山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司1307工作面、永贵能源开发有限责任公司新田煤矿1402工作面、中国神华能源股份有限公司保德煤矿8号煤层和山西新元煤炭有限责任公司31006工作面确定的底板巷道与上部煤巷的垂距分别为20，14，30，10 m[13-16]，差异较大。② 穿层冲孔致煤巷围岩稳定性差。为了提高煤体渗透性，由底板岩巷进行大量的穿层水力冲孔作业，在强化煤体瓦斯抽采的同时也导致煤体松软破碎，承载力降低，造成后期煤巷掘进过程中巷道围岩支护困难，稳定性差[17-18]。③ 底板岩巷掘进造价高，利用效率低。岩巷掘进成本巨大，底板岩巷一般用于预抽煤层瓦斯后即废弃，利用效率低。
除上述问题外，煤层回采期间，采动支承压力将工作面前方煤体压裂，煤层残留瓦斯通过导通裂隙逸散至工作面易造成瓦斯超限事故。利用底板岩巷施工穿层钻孔，对采动影响区内的煤体瓦斯进一步抽采，可有效控制卸压瓦斯逸散，降低采煤工作面瓦斯浓度[19-20]。作为巨大的地下空间，工作面回采后废弃的底板岩巷若用于存放开拓作业产生的大量矸石[21]，还可有效减少矸石升井成本，进一步提升底板岩巷利用效率。
为解决上述底板岩巷应用中存在的问题并进一步提升矿井瓦斯治理，提出了基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术（图1），将底板岩巷的应用拓展至煤矿生产全过程。首先从稳定性角度对底板岩巷布置位置进行分析优选，确保底板岩巷在整个采煤周期内的稳定性。然后通过底板岩巷向上部煤体施工穿层水力冲孔钻孔，强化条带瓦斯预抽效果。瓦斯预抽结束后，通过底板岩巷对上部预掘煤巷两帮煤体注浆加固，改善煤体强度，提高煤巷掘进安全性。工作面回采期间，通过底板岩巷向上部工作面施工穿层钻孔抽采采动影响区内煤体瓦斯，提高煤层瓦斯抽采率，降低采煤工作面瓦斯超限压力。最后，将回采结束后废弃的底板岩巷用于回填其他掘进工作面产生的矸石，降低矸石升井成本，提高巷道利用效率。
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图 1 基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术Figure 1. Full-life cycle gas treatment technology based on floor rock roadway该技术以底板岩巷为基础，针对高瓦斯低透气性突出煤层，将底板岩巷的功能利用延拓至整个煤炭开采过程，实现底板岩巷的全生命周期利用，集成“层位优选−穿层冲孔−穿层注浆−采动抽采−矸石回填”五位一体技术。本文以平顶山矿区首山一矿为例，介绍底板岩巷空间层位的选择，穿层水力冲孔钻孔布置优化，穿层冲孔与穿层注浆联合应用控制煤巷安全掘进，采动影响区瓦斯二次抽采规律，以及巷道矸石回填，形成突出煤层底板岩巷抽充一体化技术体系。
1. 底板岩巷空间层位选择
1.1 岩层力学性质测试
底板岩巷稳定性是实现全生命周期综合利用的前提，地层条件对巷道稳定性的影响重大。底板岩巷空间层位的选择通过数值方法分析，为保证模型的参数赋值符合实际条件，需先测定采煤工作面临近地层岩石力学性质。由工作面向顶板80 m和底板40 m范围的地层钻取岩心，将钻取的岩心加工成ϕ50 mm×100 mm圆柱和ϕ50 mm×25 mm的巴西圆盘，如图2所示，分别用于测定岩石的静态抗压强度和巴西拉伸强度。制备好的岩石通过MTS压力机测定力学性质。通过数值模型方法建立相同规格的试样模型，对模型参数进行确定[22]。岩石力学参数的实验和模拟结果见表1。
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图 2 地层取样及力学性质测定Figure 2. Stratigraphic sampling and mechanical property determination表 1 岩石力学参数Table 1. Rock mechanics parameters岩层 静态抗压强度 巴西拉伸强度 实验值/
MPa模拟值/
MPa误差/% 实验值/
MPa模拟值/
MPa误差/% 中砂岩 102.8 105.5 2.6 8.4 8.6 2.4 砂质泥岩 44.6 46.2 3.5 4.3 4.1 4.7 中砂岩 78.1 77.5 0.8 7.2 7.1 1.4 泥岩 52.5 51.5 1.9 3.9 3.6 7.7 煤 6.3 6.2 1.6 1.8 1.7 5.6 细砂岩 63.6 62.1 2.4 9.4 9.2 2.1 泥灰岩 44.3 46.4 4.7 5.2 5.0 3.8 煤线 6.3 6.2 1.6 1.8 1.7 5.6 泥灰岩 36.1 33.5 7.2 4.1 3.9 4.9 石灰岩 138.1 140.5 1.7 9.7 9.9 2.1 1.2 模型与方案
根据采煤工作面地质条件和测定的岩石力学参数建立数值模型，分析巷道稳定性。先基于PFC2D建立离散元模型，用于分析底板岩巷层位稳定性，再基于FLAC3D建立大型三维工作面回采模型，分析工作面回采过程中底板岩巷的稳定性，模型如图3所示。
1.3 结果分析
底板岩巷距离上部煤巷垂距为13~16 m时的围岩损伤模拟结果和实际工程结果如图4所示。可看出底板岩巷掘进后，巷道围岩总体较为稳定。垂距为13 m时，底板岩巷位于性质稳定的泥灰岩层中间，可看出巷帮只出现了少量的损伤；垂距为14 m时，巷道底板靠近煤线，由于煤线强度较低，底板煤线处出现了大量损伤，不利于巷道底板的稳定性；垂距为15，16 m时，巷道穿过煤线，同样在煤线附近的两帮损伤较为严重。数值结果表明掘进后的底板岩巷较为稳定，其状态主要受地层岩性的影响，软夹层会降低巷道稳定性。实际工程中煤线位于底板岩巷两帮中间位置，可看出巷道顶底板完整、稳定，两帮煤线局部剥落，巷道整体稳定，与数值结果一致。
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图 4 巷道掘进围岩稳定性数值与实际结果Figure 4. The numerical and actual results of surrounding rock stability after roadway excavation进一步通过三维工作面回采模型分析回采过程中巷道的稳定位置，结果如图5所示。图5展示了模型2个方向的垂直应力分布和采煤工作面底板的塑性破坏区(网格线)。可看出随着工作面不断推进，采空区垮落，在进入采空区20 m处顶底板相接，采空区中部应力逐渐恢复至原岩应力状态。受煤层倾角影响，采煤工作面运输巷处底板受到的破坏更大，风巷下部岩层受到的破坏更小。在运输巷下部存在一个受影响较小的三角区域，该区域一侧为底板岩石塑性破坏区，另一侧存在应力增加。巷道布置在该三角区域内更为稳定。采煤工作面后方30 m处底板破坏程度增加，进入采空区60 m时底板岩石破坏状态基本达到稳定状态，采煤工作面风巷下三角区范围更大。
根据分析结果，考虑地层条件和工作面回采对底板岩巷的影响，将底板岩巷的位置确定在采煤工作面运输巷下部16 m，与上部运输巷内错1 m的位置。
2. 穿层水力冲孔预抽瓦斯
2.1 穿层水力冲孔钻孔设计
为降低煤层瓦斯压力，通过底板岩巷穿层钻孔抽采煤层瓦斯，水力冲孔可以在煤体内形成空腔，促进煤体裂隙发育以提高煤层瓦斯抽采效果。为了提高冲孔影响范围并减少工程量，设计了分组交错冲孔钻孔布置方式，如图6所示（α为水平角），钻孔施工参数见表2。
表 2 水力冲孔钻孔施工参数Table 2. Construction parameters of hydraulic punching boreholes钻孔 水平角/（°） 见煤点/m 孔深/m 1号上帮 24 27.8 46.3 2号上帮 31 20.4 34.2 3号上帮 41 14.8 25.1 4号上帮 55 11.0 18.8 5号上帮 75 8.7 15.1 6号上帮 85 8.0 14.0 7号下帮 66 8.5 14.8 8号下帮 46 10.5 18.2 9号下帮 31 14.2 24.3 10号下帮 21 19.6 33.1 11号下帮 14 26.8 44.8 12号下帮 10 36.1 60.0 在工作面运输巷下部的底板岩巷内向运输巷预掘工作面周围煤体进行冲孔作业，沿巷道走向每隔6.4 m布置1组钻孔，每组钻孔为12个，孔径为94 mm，其终孔进入煤层顶板0.3~1.0 m，并控制到上部预掘工作面运输巷两帮轮廓线外各30 m，每组穿层钻孔按单双号布置2排分开施工，每组内单双号钻孔排间距为3.2 m，上一组单数孔排与下一组单数孔排、上一组双数孔排与下一组双数孔排间距均为6.4 m。
2.2 水力冲孔有效影响范围
为确定水力冲孔的有效影响范围，对冲孔后煤体的残余瓦斯压力进行了测定。选择穿过预掘煤巷的7号水力冲孔钻孔为考察孔，由底板岩巷向上部煤层施工残余瓦斯压力测定钻孔，测定钻孔孔径为94 mm，分别距离水力冲孔钻孔1，2，3，4 m，分别记为c1号、c2号、c3号、c4号测定孔。测定孔设计如图7所示。在钻孔施工完毕后20 h内，采用水泥砂浆封孔，封孔深度为12 m。待水泥凝固后，安装压力表，确保不漏气，并每天观测各钻孔瓦斯压力。
钻孔残余瓦斯压力测定结果如图8所示。可看出在瓦斯压力测定孔封孔后的12 d内，钻孔瓦斯压力呈缓慢上升趋势，12 d后钻孔瓦斯压力趋于稳定。距冲孔钻孔1 m和2 m的测定孔瓦斯压力变化规律基本相近，表明2 m范围内的煤层裂隙较为发育，连通性好。距离冲孔钻孔3 m和4 m的测定孔内瓦斯压力相对较高，但低于0.6 MPa。从煤层残余瓦斯压力的角度确定的水力冲孔有效影响范围超过4 m。
2.3 钻孔瓦斯浓度衰减
从35−40组钻孔中选择靠近预掘煤巷的冲孔钻孔，统计钻孔瓦斯浓度变化，如图9所示。可看出钻孔瓦斯体积分数初始值超过90%，35组钻孔瓦斯浓度下降速度较快，1个月后瓦斯体积分数降低至40%，2个月后降低至30%。37−40组钻孔瓦斯浓度变化基本一致，2个月内近似呈线性下降，38组钻孔瓦斯体积分数一直维持在较高水平，分析原因可能为钻孔堵塞。钻孔瓦斯体积分数在2个月后仍能保持20%以上，显示了较好的冲孔效果。
3. 穿层注浆加固
3.1 穿层注浆加固方案
冲孔导致煤体破碎，不利于巷道掘进安全。通过穿层注浆技术可改善上部煤体的强度，提高煤体承载力。穿层注浆加固如图10所示。注浆材料选择渗透性能强的硫铝酸盐水泥，按水灰比1∶1配制成浆液。通过2ZB04−1型煤矿用气动注浆泵向煤体注浆，注浆压力控制在7 MPa并保压30 min。
3.2 钻孔窥探
为判断穿层注浆效果，对煤体进行打钻窥探。如图11所示，在注浆钻孔旁打ϕ94 mm的穿层窥视钻孔，采用CXK12（A）矿用本安型钻孔成像仪对钻孔内壁进行窥视，分析注浆效果。距离注浆孔20 cm处的窥视孔打至距上部预掘煤巷上帮5 m处，距离注浆孔50 cm处的窥视孔打至距上部预掘煤巷下帮5 m处。为了对比，向未注浆区施工1个窥视孔。
窥视孔内壁如图12所示。图12（a）表明未注浆区煤体完整性较差，孔壁表面粗糙起伏不平，充满了纵横交错的裂隙，孔壁存在大片煤块脱落现象，且有明显的裂隙。由此看出未注浆加固的煤体较为破碎，煤体完整性差，不利于巷道掘进后的稳定性。从图12（b）可看出注浆加固后窥视孔孔壁表面裂隙减少，粗糙度明显降低，煤体脱落情况减少，表明注浆加固后煤体强度提高，煤体性质明显改善，有利于煤巷掘进安全与巷道稳定性。
3.3 巷道变形与煤体钻屑
煤巷掘进后通过十字测点法测定巷道变形量，结果如图13所示。巷道两帮布置5组测点H1−H5，顶底板布置5组测点Z1−Z5。可看出在巷道掘进的1个月内是巷道围岩变形的主要阶段， 巷道顶底板相对移近量较大，巷道掘进后的前10 d内相对移近量为2 cm左右，10~30 d内逐渐增大，1个月后相对移近量呈缓慢增大趋势。巷帮相对移近量相对较小，变形规律与顶底板类似。2个月后顶底板和巷帮的相对移近量分别为4~8 cm和1~4 cm。巷道围岩整体稳定性较好，穿层注浆加固有效提高了煤层强度。
通过向巷道两帮煤体打钻测定钻屑量来考察煤巷掘进突出危险性。分别在煤巷上下两帮打2个钻屑量测定孔（钻屑孔），收集钻屑量，结果如图14所示。可看出上下两帮钻屑量分布规律大致相同，距离巷帮3 m范围内钻屑量较低，这是因为靠近巷帮地应力释放，钻孔容易施工。距离巷帮3~5 m范围内钻屑量增加，推测该区域是巷道开挖引起的应力集中区域。煤体应力增加导致钻孔钻进阻力增大，钻屑量增加。5~8 m范围内钻屑量有所降低，而超过8 m后钻屑量转为增加，由此推测注浆加固区影响至巷帮8 m范围。进入冲孔区后，煤体破碎钻屑量开始增加。通过4个钻孔钻屑量可看出，加固区内的钻屑量较小，且巷帮10 m范围内的钻屑量普遍低于3 kg/m，说明巷道掘进的突出危险性较低。
4. 采动卸压瓦斯抽采
4.1 采动卸压瓦斯穿层抽采
基于底板岩巷穿层钻孔，对采动影响区内的煤体卸压瓦斯进行二次抽采，如图15所示。基于前期瓦斯预抽钻孔，进一步补打穿层钻孔。测定采煤工作面前方100 m范围内的煤体卸压瓦斯抽采量和钻孔瓦斯浓度，以分析采动影响区范围。同时记录工作面回风隅角和回风巷中部风流瓦斯浓度，以判断采动卸压瓦斯抽采效果。
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图 14 巷道掘进煤体破碎钻屑量分布Figure 14. Distribution of drill cuttings of broken coal body in excavation roadway4.2 钻孔瓦斯浓度
利用瓦斯浓度测定仪对采煤工作面前方卸压瓦斯抽采钻孔内的瓦斯浓度进行测定。距离工作面前方不同位置的钻孔瓦斯浓度分布如图16所示。可看出距离工作面3.2 m的钻孔瓦斯体积分数可达15%~30%，距离工作面10 m左右的钻孔瓦斯体积分数达到最大值。这是由于采动支承压力超前采煤工作面10 m左右，应力集中导致煤体裂隙发育，煤体瓦斯由吸附态向游离态转变，此时瓦斯抽采浓度高；而靠近采煤工作面的位置由于经过瓦斯二次抽采，且煤体裂隙的过度发育导致瓦斯逸散至采煤工作面，所以钻孔瓦斯体积分数并非最大值。对卸压瓦斯浓度分布进行划分，采煤工作面前方20 m范围内为卸压瓦斯抽采的高效区；20~50 m范围内瓦斯浓度有所降低，为瓦斯抽采有效区；超过50 m后，钻孔瓦斯浓度趋于稳定，为采动不影响区。由此可看出采动卸压瓦斯的有效抽采范围为采煤工作面前方50 m。
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图 16 采煤工作面前方钻孔瓦斯浓度分布Figure 16. Gas concentration distribution in boreholes in front of mining face4.3 采动瓦斯抽采量
根据动压区钻孔瓦斯浓度分布规律可知，采煤工作面前方50 m范围为采动有效影响区，将采煤工作面前方50 m范围内的瓦斯抽采量定义为动压区瓦斯抽采量。为了研究动压区瓦斯抽采效果，统计了2021年2−4月采动有效影响区穿层钻孔瓦斯抽采量占比。2月采动有效影响区50 m内钻孔数量为374个，累计钻孔长度为12 342 m，采动不影响区钻孔总数为5 482个，累计钻孔长度为148 014 m。2月采动有效影响区钻孔数量占比为6.39%，3月占比为7.75%，4月占比为10.7%。2−4月动压区瓦斯抽采量占比统计如图17所示。以2月为例，整月动压区瓦斯抽采量日占比为20%~60%，以日占比40%居多，50 m范围内动压区瓦斯抽采量占比超过40%，说明穿层钻孔抽采动压区瓦斯效果显著。
4.4 回风流瓦斯浓度
采煤工作面回风隅角和风巷中部43 d内的瓦斯浓度变化如图18所示。可看出回风隅角的日平均瓦斯体积分数为0.22%~0.45%，风巷中部的日平均瓦斯体积分数为0.22%~0.44%。采动卸压瓦斯抽采后，回风隅角和风巷中部的平均瓦斯体积分数均低于0.5%，说明采动卸压瓦斯抽采有效控制了采煤工作面风流瓦斯浓度，防止了采煤工作面瓦斯超限事故发生，进一步提高了生产安全水平。
5. 底板岩巷矸石回填
5.1 矸石回填方案
巷道矸石回填旨在减少矸石升井成本，提高底板岩巷利用效率，并不要求过高的巷道充填率。因此，采用胶带运输式矸石回填方案。结合采煤工作面具体巷道布置，形成的矸石回填方案为临近掘进工作面产生的矸石通过胶带运输至巷道口，利用矿车将矸石运输至待回填底板巷道口，再由胶带运输至废弃巷道内部。设备选型见表3。
表 3 设备选型Table 3. Equipment selection序号 设备/工具名称 型号/规格 1 局部通风机 2BKJNO6.3/2X30 2 推车机 TLL6−1 3 带式输送机 SSJ−800 4 刮板输送机 GW−40T 5 胶带转载机 EZQ−300 6 抛矸机 CTS37.5/83 7 回柱绞车 JH−14 8 铁锹 普通 9 撬棍 2 m 10 大锤 10 11 翻车机 FDZY−1.0/6 12 给料机 JDG/5.5/F/B−Ⅱ 5.2 矸石回填数值分析
通过离散元方法分析巷道回填过程中胶带速度对巷道矸石堆积状态的影响。以矸石粒径级配0.3、胶带运载速度5 m/s、胶带材质为PVC为例，巷道内矸石堆积状态如图19所示。仿真结果表明，胶带速度快，但充填效果并不一定好，速度过快导致充填不均匀。在同等仿真条件下，胶带速度为5 m/s时充填效率最高。
6. 结论
1） 通过地层岩石取心，测定了采煤工作面地层的岩石力学性质，基于数值方法分析了巷道掘进和工作面回采条件下底板岩巷稳定性，确定了将底板岩巷布置在采煤工作面运输巷下部16 m、与上部运输巷内错1 m的位置。对底板穿层水力冲孔钻孔布置进行优化，设定了组间距6.4 m、每组按单双号交错打孔的方案，冲孔有效影响范围超过4 m，钻孔瓦斯浓度较高，衰减较慢，条带预抽效果良好。通过穿层注浆，改善了上部破碎煤体性质，钻孔窥探显示经过注浆后的煤体性质得到改善，破碎程度降低，巷帮钻屑表明注浆加固范围超过5 m，有效降低了巷道掘进的突出危险性。通过底板岩巷穿层钻孔，对工作面回采期间采动卸压瓦斯进行抽采，发现采动有效影响范围为采煤工作面前方50 m，采动影响区内瓦斯抽采效果良好，采煤工作面风流瓦斯体积分数降低至0.45%以下，有效降低了采煤工作面瓦斯浓度。回采结束后，设计了底板岩巷矸石回填方法，降低矸石出井成本，提高巷道利用效率。
2） 以底板岩巷为基础，考虑整个煤炭生产过程中的瓦斯问题，提出了基于底板岩巷的全生命周期瓦斯治理技术，形成了“层位优选−穿层冲孔−穿层注浆−采动抽采−矸石回填”五位一体的瓦斯综合治理模式，对缺乏保护层开采条件的高瓦斯低透气性突出煤层具有普适性。
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图 1 基于底板岩巷全生命周期瓦斯治理技术
Figure 1. Full-life cycle gas treatment technology based on floor rock roadway
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图 2 地层取样及力学性质测定
Figure 2. Stratigraphic sampling and mechanical property determination
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图 4 巷道掘进围岩稳定性数值与实际结果
Figure 4. The numerical and actual results of surrounding rock stability after roadway excavation
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图 14 巷道掘进煤体破碎钻屑量分布
Figure 14. Distribution of drill cuttings of broken coal body in excavation roadway
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图 16 采煤工作面前方钻孔瓦斯浓度分布
Figure 16. Gas concentration distribution in boreholes in front of mining face
表 1 岩石力学参数
Table 1 Rock mechanics parameters
岩层 静态抗压强度 巴西拉伸强度 实验值/
MPa模拟值/
MPa误差/% 实验值/
MPa模拟值/
MPa误差/% 中砂岩 102.8 105.5 2.6 8.4 8.6 2.4 砂质泥岩 44.6 46.2 3.5 4.3 4.1 4.7 中砂岩 78.1 77.5 0.8 7.2 7.1 1.4 泥岩 52.5 51.5 1.9 3.9 3.6 7.7 煤 6.3 6.2 1.6 1.8 1.7 5.6 细砂岩 63.6 62.1 2.4 9.4 9.2 2.1 泥灰岩 44.3 46.4 4.7 5.2 5.0 3.8 煤线 6.3 6.2 1.6 1.8 1.7 5.6 泥灰岩 36.1 33.5 7.2 4.1 3.9 4.9 石灰岩 138.1 140.5 1.7 9.7 9.9 2.1 
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表 2 水力冲孔钻孔施工参数
Table 2 Construction parameters of hydraulic punching boreholes
钻孔 水平角/（°） 见煤点/m 孔深/m 1号上帮 24 27.8 46.3 2号上帮 31 20.4 34.2 3号上帮 41 14.8 25.1 4号上帮 55 11.0 18.8 5号上帮 75 8.7 15.1 6号上帮 85 8.0 14.0 7号下帮 66 8.5 14.8 8号下帮 46 10.5 18.2 9号下帮 31 14.2 24.3 10号下帮 21 19.6 33.1 11号下帮 14 26.8 44.8 12号下帮 10 36.1 60.0
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表 3 设备选型
Table 3 Equipment selection
序号 设备/工具名称 型号/规格 1 局部通风机 2BKJNO6.3/2X30 2 推车机 TLL6−1 3 带式输送机 SSJ−800 4 刮板输送机 GW−40T 5 胶带转载机 EZQ−300 6 抛矸机 CTS37.5/83 7 回柱绞车 JH−14 8 铁锹 普通 9 撬棍 2 m 10 大锤 10 11 翻车机 FDZY−1.0/6 12 给料机 JDG/5.5/F/B−Ⅱ
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