急傾斜煤層工作面防治片幫及瓦斯治理方法探析

文/許海亮趙景忠

新鐵煤礦作為龍煤集團七臺河分公司東部區主力礦井，地質儲量豐富，但由于地質條件復雜，傾角大，制約了企業的發展。面對復雜而艱難的開采條件，新鐵煤礦積極探索，勇于創新，根據急傾斜煤層采煤工作面易片幫及瓦斯涌出易超限的現象，分析采煤工作面原巖應力及采動應力對工作面片幫的影響及瓦斯涌出的原因，采用施工大孔徑卸壓瓦斯釋放鉆孔解決急傾斜煤層采面片幫及瓦斯涌出的治理方法，破解了工作面大傾角、頂底板破碎、安全系數不高、生產效率低等難題，為礦井安全生產起到了積極作用。

一、工作面概況

新鐵煤礦六采區綜采三隊工作面位于六采區西部，走向長度為568米，傾向長度為125m，可采儲量為14.1萬噸。煤層為復合結構，深黑色，質軟，金屬光澤，下部含有一層夾矸，厚度為0.15~0.25m。煤層走向 63°~75°之間， 平均傾角38°，平均厚度 1.4m。

煤層直接頂厚為1.0m~1.5m粉砂巖，局部膠結差，隨采隨落。基本頂厚為6.0m細砂巖、較硬。在回采工作面中除F:42斷層外，在回采工作面下順槽（57右八片）中部發育一條正斷層，斷層走向140°，傾角80°，落差為1.2m。煤層瓦斯賦存以吸附狀態為主，可解析瓦斯含量為6.8m3/t，煤層抽采困難，煤壁極易片幫，煤壁片幫后瓦斯瞬間涌出，易造成工作面瓦斯超限。

二、煤壁片幫及瓦斯涌出概況

工作面初采時，走向回采至10m時煤壁未發生片幫及瓦斯超限現象，走向回采至11~34m時煤壁多次發生小面積片幫及瓦斯超限現象，工作面最大瓦斯濃度1.6%。工作面走向回采至35~38m時頂板初次來壓，來壓期間在工作面傾斜方向65m處出現片幫現象，片幫深2.5m、傾向長度5.2m，工作面瓦斯濃度2.7%。傾斜方向82m處再次出現片幫現象，片幫深3.2m、傾向長度5.1m，工作面瓦斯濃度3.2%。工作面走向回采至36~66m時在工作面回采過程中繼續出現小面積片幫及瓦斯超限現象，工作面最大瓦斯濃度2.1%。采面走向回采至67~72m時頂板周期來壓，工作面在傾斜方向78m處發生片幫現象，片幫深1.1m，傾向長度8m，工作面瓦斯濃度2.0%。傾斜方向96m處再次發生片幫現象，片幫深2.3m，長度6m，工作面瓦斯濃度2.8%。片幫煤體堵塞下出口，導致工作面微風，給安全生產帶來了不利因素。

三、治理方案

1.采用方法

根據相關數據分析，技術人員提出了采用大孔徑卸壓瓦斯釋放鉆孔治理煤壁片幫及瓦斯超限現象。在綜采三隊采面下順槽采用ZDY-3200S型鉆機施工鉆孔（鉆孔間距12m），采用水排渣方式施工Ф400mm （導向桿前端連接Ф113mm鉆頭，導向桿后端連接Ф400mm擴孔鉆頭）孔徑鉆孔與上順槽鉆透。

2.鉆孔施工方法

根據煤層的賦存條件，施工鉆孔過程中為防止孔內大量煤體下滑堵塞鉆孔下口，在開孔施工6m時，采用擴孔的方式增大開孔孔徑，擴孔至400*800橢圓形斷面，繼續施工鉆孔過程中必須保證鉆機鉆進速度，供水水壓、水量充足。為防止孔內片幫大量煤體下滑困難出現堵孔夾鉆現象。施工一根鉆桿后，待孔內煤體全部下滑后再施工下一根鉆桿。為防止施工鉆孔與上順槽貫通時瓦斯瞬間超限（孔內瓦斯濃度達到50%以上），鉆孔施工距上順槽貫通5m時，先采用Ф113鉆孔與上順槽貫通，使孔內瓦斯限量排放，待瓦斯濃度下降到0.8%時，使用Ф400鉆孔與上順槽貫通。

3.施工鉆孔后回采時的實際情況

（1）鉆孔施工前后工作面瓦斯涌出對比情況。

施工鉆孔前工作面落煤瓦斯涌出量曲線圖見圖1。工作面82部支架，落煤時間140分鐘，瓦斯涌出三次，工作面最大瓦斯濃度達到2.8%，瓦斯絕對涌出量3.2m3/min并伴有片幫現象，瓦斯涌出現在工作面中上部。

施工鉆孔后工作面落煤瓦斯涌出量曲線圖見圖2。工作面82部支架，落煤時間50分鐘，瓦斯超限0次，最大瓦斯濃度0.8%,瓦斯絕對涌出量0.92m3/min。

圖1 施工鉆孔前瓦斯涌出量曲線圖

圖2 施工鉆孔后瓦斯涌出量曲線圖

（2）鉆孔施工后工作面回采效果。由于工作面應力釋放，采面推進速度明顯增加，落煤時間降低了90分鐘，瓦斯絕對涌出量降低了2.28m3/min，開采過程中未出現片幫及瓦斯超限現象，保證了工作面安全生產。

四、解決煤壁片幫及瓦斯涌出的機理

1.解決煤壁片幫的機理

在原巖應力區施工大孔徑鉆孔，煤層內部應力得以釋放，減輕采動應力與煤層內部應力疊加出現應力峰值增大現象。隨著工作面的推進，鉆孔進入到采動應力影響范圍內，依靠鉆孔形成的自由面，在應力作用下使孔周圍煤壁塑性區域增大，在持續壓力的作用下，鉆孔周圍煤壁出現片幫現象，煤體內部應力釋放，應力重新分布達到平衡狀態。由于采面繼續推進，鉆孔周圍煤體的應力平衡被打破，孔周圍煤壁繼續出現片幫現象，鉆孔周圍煤壁經歷應力變化—平衡—再變化的過程，達到了煤體持續卸壓的效果，從而使應力峰值減小前移，減輕了工作面煤壁支撐強度，減小了煤壁片幫的幾率。

2.解決瓦斯涌出的機理

鉆孔施工后，煤體應力得到釋放，在應力作用下鉆孔周圍煤體塑性區域增大，使煤體裂隙不斷增加，導致煤體滲透性發生變化。由于影響吸附—解析平衡的條件發生變化，破壞了吸附平衡，致使吸附氣體轉化為游離態而脫離吸附體系，吸附—解析動態平衡體系中吸附量減少，使部分瓦斯在鉆孔處提前釋放，減小了工作面開采的瓦斯涌出量，解決了工作面瓦斯超限對安全生產帶來的重大災害。

五、結論

1.大傾角煤層開采后，采后中上段巖層冒落填充下段，使采面中上段位置的巖層處于活動劇烈不穩定的狀態，采面下段巖層處于相對穩定狀態，使之在煤壁支撐壓力分布不均，煤壁中上部頂板應力相對大于下部的應力，根據工作面生產實際情況，煤壁片幫及瓦斯涌出發生在采面中上部。

2.在原巖應力區施工大孔徑鉆孔，煤層內部應力得已釋放，減輕采動應力與煤層內部應力疊加出現應力峰值增大現象。同時，利用鉆孔空間使采動應力及煤體內部應力得到釋放，減輕工作面煤壁支承強度，達到卸壓效果，降低煤壁片幫的幾率，并使鉆孔周圍煤體塑性區域增大，改變吸附-解析動態平衡體系，使煤層內瓦斯得到自然釋放，解決工作面瓦斯超限問題。

3.施工大孔徑鉆孔工藝對治理急傾斜煤層煤壁片幫及瓦斯超限等問題起到顯著的效果。鉆孔施工與工作面回采可平行作業，施工鉆孔的設備和材料可重復利用。工作面回采過程中，圓班進尺1.6m提至2.4m，工作面落煤378噸增至567噸，每月可多生產5292噸，生產效率提高1.5倍。工作面未出現片幫及瓦斯超限現象，提高了回采工作面生產水平和效率，社會和經濟效益顯著。