低透氣性強突出煤層的瓦斯防治技術研究

孫傳軍，李 康

（皖北煤電集團公司 祁東煤礦，安徽 宿州23400）

1 概況

祁東煤礦二采區9煤層經鑒定為低透氣性強突出煤層，平均煤厚4.1m，實測瓦斯壓力高達3.3MPa，突出十分嚴重。9煤層上覆71煤層，71為無突出煤層，煤厚0.8～2.63m，平均1.75m，71煤層與9煤層層間距平均43m，具備上保護層開采條件，因此，為大幅度降低下部煤層工作面的瓦斯涌出量，消除9煤的突出危險性等災害，先期開采上部保護層71煤層，并對9煤層進行卸壓瓦斯抽采。

2 區域瓦斯防治措施

2.1 上保護層開采

2.1.1 開采保護層的有效層間距

7122工作面開采71煤層，煤層傾角8°～14°，平均13°，屬緩傾斜煤層，根據《防治煤與瓦斯突出規定》，開采上保護層時，對于緩傾斜煤層，上保護層與被保護層之間的最大保護垂距小于50m。根據該采區部分勘探孔資料，71煤層與9煤層層間距平均為43m左右。根據《防治煤與瓦斯突出規定》及有關理論和經驗，此層間距在有效層間距之間，故可以依據保護層開采理論的相關技術方法進行保護層開采。

2.1.2 保護層的開采范圍

根據祁東煤礦的采掘部署，將二采區9煤層上方的71煤層的7122工作面作為保護層工作面。工作面參數為：

工作面標高：－460m～－500m；

工作面走向長：1090m；

工作面傾斜長：164m；

煤層厚度：0.8～2.63m，平均1.75m；

煤層傾角：8°～14°，平均13°；

頂板管理：全部陷落法。

2.1.3 被保護層的開采范圍

根據7122工作面開采范圍，首先在理論上劃分出7122工作面開采對9煤層工作面的保護范圍。

（1）沿傾斜方向的保護范圍

依照7122工作面的開采范圍對被保護層保護范圍進行設計。保護層開采沿傾斜方向的保護范圍，按傾向卸壓角劃定。保護層工作面煤層傾角約為13°左右，依照規定：保護層工作面上部傾斜卸壓角δ3、δ4應按75°設計（見圖1）；經計算，9煤被保護層相對于保護層工作面，被保護層工作面風巷和機巷分別內錯保護層工作面12.7m。

圖1 保護層工作面沿傾斜方向的保護范圍

（2）沿走向方向的保護范圍

保護層開采沿走向的保護范圍，按走向卸壓角劃定。71煤層和9煤層層間距根據鉆孔柱狀圖為46.4m。卸壓角按照56°計算（見圖2）。經計算被保護層工作面在始采線和終采線相對于保護層工作面位置分別內錯31m。

圖2 保護層工作面沿走向方向的保護范圍

2.2 被保護層瓦斯抽采措施

根據國內外開采保護層的經驗，在保護層開采時，利用穿層鉆孔抽采被保護層的卸壓瓦斯，對于解決保護層工作面的瓦斯涌出量、消除被保護層的突出危險性具有重要的作用。因此，在距9煤層底板法距28m的底板施工9煤底板抽采巷，利用抽采巷打穿層鉆孔來預抽9煤層瓦斯，抽采巷貫穿于9煤整個需要布置的工作面，根據鉆機的能力保證抽采鉆孔控制被保護層9煤層整個工作面輪廓線外15m。抽采鉆孔的間距根據9煤為松軟低透氣性煤層的特性，因此，在9煤底板抽采巷內每隔26m再分別設一鉆場，鉆場寬×高×深＝4.2m×2.6m×4.5m，每個鉆場布置3個抽采鉆孔，工作面走向長度為1090m，共施工約42組294個鉆孔。鉆孔開孔位置位于鉆場頂部，終孔位置穿透9煤層頂板0.5m（在實際施工中可根據打鉆過程中對煤層實際賦存情況的驗證對鉆孔參數進行調整，但必須保證鉆孔見煤點的間距以及9煤層抽采范圍）。

3 9煤層鉆孔瓦斯流量及透氣性系數變化

上保護層71煤層未開采前，被保護9煤層原始瓦斯壓力高（2.3～3.2MPa）、瓦斯含量較大（9.1～11.2m3／t）、透氣性差（0.0045～0.064m2／MPa2·d）、鉆孔瓦斯衰減快（鉆孔自然瓦斯流量衰減系數η＝0.16），原始狀態抽采瓦斯困難。71煤層工作面開采后，被保護9煤層的鉆孔瓦斯流量及透氣性系數發生了一定規律性的變化。

保護層7122綜采面的回采前，被保護9煤層鉆孔瓦斯流量為1L／min；保護層7122工作面的回采后，被保護層9煤煤層產生卸壓，煤層透氣性增大，鉆孔瓦斯流量為24.8 L／min，比未卸壓前增大近25倍。

保護層7122綜采面回采前后，被保護9煤層透氣性系數變化情況見表1。

表1 保護層7122綜采面開采前后被保護層9煤層透氣性系數

表1表明，被保護區內的9煤層透氣性增加，其透氣性系數增大了76～1484倍，從而為瓦斯抽采提供了良好的條件。

4 7122綜采面開采對下伏9煤層卸壓保護參數及防突效果分析

根據71煤層開采對被保護9煤層有代表性的傾斜上、下及走向方向煤層變形考察結果，以被保護層煤層層理法向變形6‰作為有效消除地應力主導型動力災害；被保護9煤層的卸壓瓦斯抽采率為42%，被保護9煤層殘余瓦斯含量為5.3m3／t。

根據上述9煤層的煤巖瓦斯動力參數變化和殘余瓦斯含量值，分析得出下伏被保護9煤層在保護范圍內已無突出危險。

5 9煤層局部防突措施

5.1 掘進工作面防突措施

表2 鉆屑指標法預測煤巷掘進工作面和采煤工作面突出危險性的參考臨界值

首先采用鉆屑指標法對掘進工作面進行連續預測預報，參考臨界值見表2。鉆孔的位置及控制范圍按防治煤與瓦斯突出規定執行，若預測工作面無突出危險，采取安全措施后進行掘進。若預測工作面有突出危險采取排放鉆孔防突措施，并進行效果檢驗。經驗證措施有效后，既判斷為無突出危險的工作面，當措施無效時，既判斷為突出危險工作面，繼續采取局部防突措施，直至措施有效。采取安全措施后進行掘進，煤巷掘進保留3m預測超前距，施工到位后再進行預測預報，以此類推。

5.2 采煤期間防突措施

工作面采用鉆屑指標法進行突出危險性預測，參考臨界值見表2，沿工作面每隔10m（斷層附近加密預測鉆孔）布置一個預測鉆孔，孔深6m，孔徑42mm，鉆孔應盡可能布置在軟分層中，鉆孔每鉆進1m測定該1m段的全部鉆屑量S，每鉆進2m至少測定一次鉆屑瓦斯解吸指標K1或△h2值。若預測無突出危險，并且未發現其它異常情況，工作面在采取安全防護措施并保留不少于3m預測孔投影孔深超前距的條件下進行采煤作業；否則，為突出危險工作面，必須執行工作面防突措施。防突措施采用排放鉆孔釋放煤體瓦斯措施，并經效果檢驗有效后，方可采取安全防護措施的情況下繼續施工。

6 應用情況

通過開采解放層、底板抽采煤層瓦斯、掘進工作面防突措施、采煤工作面防突措施等一系列措施，確保了被保護層工作面掘進期間和回采期間的安全，現被保護層9煤工作面已安全回采620m，生產原煤470kt，取得了較好的社會經濟效益。