煤礦掘進高濃度高壓氮氣涌出的分析

劉克生 王 禹 朱智杲

(鐵煤集團內蒙古東新煤炭有限責任公司敬老院煤礦，內蒙古 鄂爾多斯010321）

1 概述

1.1 敬老院礦煤層地質概況

敬老院煤礦位于東勝煤田準格爾召—新廟礦區，東勝煤田是以三疊系上統延長組為基底的侏羅紀早、中期含煤建造，主要含煤地層為侏羅系中下統延安組。延安組為河流泛濫平原發展至湖濱平原相沉積。本井田位于東勝井田南部，為向南西傾斜的單斜構造，井田內煤層賦存穩定，不發育斷層、褶皺、及巖漿巖侵入體，地質構造屬簡單類型。該井田煤層屬淺埋深煤層，煤層瓦斯含量和涌出量小，絕對涌出量為0.08m3/min，煤層所處的瓦斯分帶為氮氣帶。

1.2 8405 工作面簡要概況

8405采場為該礦4層煤西盤區首個回采工作面，設計傾向長220米，走向長2250米，運順設計斷面為4.2m*2.8m。運順臨近井田邊界，與伊泰集團大地精煤礦相臨，西北部臨近滿來梁井田，工作面切眼為井田邊界，與滿來梁井田相鄰。回順為本礦未采動區，與8406綜采工作面回順相鄰，上覆三層煤不發育，無采空區。煤層最小厚度1.2米,最大厚度4.09米,平均厚度2.45米。

2 掘進超前鉆孔高濃度、高壓氮氣涌出情況

8405運順由我礦綜掘一隊負責掘進施工，由于該巷道為井田邊界，掘進采取先探后掘的探放水措施，超前探孔施工設計如圖所示。鉆孔采用專用探水鉆機施工，孔徑42mm。2011年5月12日掘進至1646米處，白班在工作面右側施工的超前探水鉆孔時，發現孔內有異常氣體排出，并且帶壓，作業人員及瓦檢員立即向礦調度和相關領導匯報。瓦檢員用理研檢查孔內瓦斯濃度3.5%，工作面瓦斯濃度0.01%。礦領導了解到該地點情況后，研究采取的主要措施是立即停止該工作面掘進，由通風隊進行現場觀測，取樣化驗分析，地測科詳查該區域地質資料及臨近礦井采空區情況。

3 觀測與分析措施

3.1 經現場觀測發現，孔內氣體向外排，氣體外排壓力為前進右幫孔294mmH20，使用光學瓦斯鑒定器測定孔內氣體3.5%，氧氣濃度為0%。有老空區氣味。瓦斯便攜檢測無濃度。根據現場對探放水鉆孔觀測結果，初步認定為：⑴探孔打通了老采空區，老空區與相鄰礦井存在自燃發火的采空區連通，向采空區注氮氣引起鉆孔氣體高壓排放現象。⑵特殊地質條件造成存在溶洞，積存大量氣體、打鉆過程中造成帶壓氣體釋放。

3.2 該區域地質及臨近礦井采空區情況。該掘進工作面煤層及頂底板都非常正常，無任何變化，原始地質資料也無特殊地質構造。詳查周邊臨近礦井，均無越界開采現象，不存在廢舊老空區。

3.3 研究決定下一步措施如下：

3.3.1 將該工作面情況向集團分公司及當地上級主管部門匯報；

3.3.2 由綜掘隊繼續向工作面前方及巷道兩側施工探孔，進行泄壓釋放，繼續觀測相關涌出氣體參數，并取樣化驗分析，探孔覆蓋工作面前方及巷幫兩側。各探孔施工參數情況如下表：鉆孔布置形式同探放水鉆孔，并在工作面后5-6米范圍向巷幫兩側施工鉆孔。計補打6個鉆孔；

3.3.3 通風隊安排專人現場跟班，負責施工鉆孔全過程的氣體檢查。瓦斯檢查員對每個鉆孔取樣。現場檢查各項氣體濃度為：氧氣2%、一氧化碳0%、二氧化碳0.1%、瓦斯3.2%、硫化氫0%，溫度12，孔內向外排氣。通過現場檢測觀測檢查，發現孔內氣體壓力成衰減下降趨勢，且下降較快，大約20mmH20/小時，10小時后鉆孔壓力均降到10mmH20以下。

3.3.4 通風隊負責對取樣進行分析，具體分析情況見下表：

通道 測點位置CH4(%)CO（PPM）CO2(%)O2(%)N2(%) 時間1 1# 0.01 0 0.07 1.7 98.22 2011-05-13-10:27 2 2# 0.03 0 0.06 0.3 99.88 2011-05-13-10:47 3 3# 0.03 0 0.07 0.2 99.88 2011-05-14-10:07 4 4# 0.02 0 0.06 1 98.98 2011-05-14-9:10 5 5# 0.01 0 0.07 1.5 98.97 2011-05-14-9:27 6 6# 0.01 0 0.07 0 99.82 2011-05-15-9:47

3.3.5 高壓氣體涌出的綜合判斷分析：鉆孔內氣體主要為氮氣，施工鉆孔過程中，鉆孔全程為堅硬質地煤，無塌孔現象，鉆孔返水正常且未透異常空間空頂現象，可以排除遇地質溶洞現象；同時相臨礦井無越界開采，不存在廢舊老空區，鉆孔壓力衰減較快，氣體無補給，可以排除遇老采空區情況。最后分析判斷為：該區域含煤地層為侏羅紀中下統延安組，該地層為河流平原相沉積，屬瓦斯分帶的氮氣帶，成煤時積特殊存了大量氮氣。施工鉆孔時造成大量氮氣的釋放涌出。理研與便攜和化驗結果的誤差的假象原因為：氮氣濃度高、壓力大、溫度低等條件造成了光學瓦斯鑒定器測量錯誤顯現瓦斯在3.5%左右。該地層含豐富有機物化石，在鉆孔或掘進過程中破碎造成有機物腐蝕的采空區特有氣味出現。

3.3.6 根據分析結果，經礦研究決定在采取必要措施情況下可以繼續掘進。具體措施如下：

（1）為防止工作掘進揭露煤體再有大量高濃度氮氣突然涌出，在工作面后50米建一道臨時板閉，只留皮帶側出貨空間，行人側留行人小門，運順拉門口備好封閉材料，一旦工作面掘進有大量氮氣涌出，人員立即佩戴自救器撤出，同時關上臨時板閉小門。

(2)掘進前在工作面施工好超前釋放探孔，保證在釋放鉆孔保護下掘進，鉆孔在工作面左、中、右布置，距底板1.2米，左右兩側鉆孔各向外側水平45度傾斜，傾角均為向上3度，長度均為30米。掘進留5米超前距離。

(3)通風隊瓦斯檢查員現場跟蹤施工鉆孔情況。檢查孔內及環境中氣體壓力、濃度、溫度情況，檢查好工作面風量和氣體情況。

（4）加強局部通風管理，保證工作面足夠風量稀釋鉆孔內釋放的氣體。

(5)放慢掘進循環速度，保證孔內氣體釋放，保證施工人員安全。

該區域掘進100米后，上述特殊情況消失，恢復正常掘進。

4 經驗總結

掘進工作面掘進必須查明詳細地質資料，查明相關臨近區域采空區情況。在井田邊界及復雜區域設計和施工時，必須做到“先探后掘”，探明水文地質資料情況下方可掘進。地質測量部門及時對掘進工作面地質情況進行測量和報告，制定相應安全措施。完善地質測量檢測手段，采取新方法如物探、超聲波探測方法，豐富檢測手段。加強局部通風管理，特別是長距離通風必須使用大功率局部通風機和大直徑風筒，做好風筒維護，并做到雙風機雙電源，實現自動切換，確保遇特殊地質構造時能及時排放有毒有害氣體，保證安全。

[1] 張有權.煤礦掘進機常見故障分析及處理方法，2012-04-15.

[2] 陳明. 煤礦掘進作業方式分析，2012-06-08.