西馬煤礦瓦斯突出治理研究

魏亞飛

(沈陽煤業(yè)集團西馬煤礦, 遼寧 111304)

煤與瓦斯突出是一個能量釋放過程，在這一過程中，首先是能量的積聚，這個能量包括瓦斯、地應力等。煤層內(nèi)的瓦斯含量、瓦斯壓力和地應力隨地質(zhì)構(gòu)造復雜程度的不同存在著較大的差異。由于地質(zhì)構(gòu)造帶存在著一定的構(gòu)造應力，所以，在構(gòu)造帶儲存有較高的煤巖彈性應變能，突出危險性較大；并且在這些區(qū)域，煤層裂隙較為發(fā)育，瓦斯含量和壓力往往較高，所以瓦斯內(nèi)能較大，突出危險性較大。同時，在地質(zhì)構(gòu)造帶，由于煤巖層受到不同程度的破壞，煤層的堅固性系數(shù)往往較低，軟分層較為發(fā)育，相對而言，抵抗突出破壞的能力較差，所以成為突出的多發(fā)區(qū)域。目前，對煤與瓦斯突出治理的方法主要有開采保護層和預抽瓦斯等。周應江等研究了超前卸排瓦斯鉆孔在新集二礦1812綜采面上的應用，對瓦斯的治理效果進行了統(tǒng)計與分析；程遠平等利用基于分源原理的瓦斯涌出量計算方法，將保護層工作面的瓦斯涌出量越策結(jié)果與實際測量值進行對比，發(fā)現(xiàn)由于保護層的卸壓作用，促使被保護層的抽采率大于其自然排放率，這就造成了保護層瓦斯預測值小于實際測量值。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：“開采保護層時，應同時抽放被保護層的瓦斯”。這樣，能夠降低瓦斯壓力。采用先開采保護層的方法，從1958年以來，大大降低了煤與瓦斯突出事故發(fā)生的頻率，實現(xiàn)煤與瓦斯突出煤層的安全高效開采。劉桂麗等以祁南礦34下2工作面和3410工作面的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用數(shù)值模擬方法模擬了不同鉆孔抽采參數(shù)對瓦斯抽采的影響，得到了最佳的鉆孔抽采參數(shù)，提高了瓦斯抽采濃度和抽采率。蔡文鵬等對頂板走向高位鉆孔解決工作面上隅角瓦斯超限問題進行了研究，根據(jù)瓦斯涌出源及采空區(qū)和裂隙帶的高度范圍，確定了合理的高位鉆孔參數(shù)。

本文研究的西馬煤礦為煤與瓦斯突出礦井，12號煤層為突出煤層，13號煤層為非突出煤層，1304工作面屬于地質(zhì)構(gòu)造復雜區(qū)域，所以在該區(qū)域中的防突工作包括防突技術(shù)和防突管理，是礦井安全生產(chǎn)的重要保障。

1 礦井及工作面概況

西馬煤礦為煤與瓦斯突出礦井，12煤為突出煤層，突出范圍位于井田南部，13號煤為非突出高瓦斯煤層，12號和13號煤層間距在3.5～26m，平均18m。從1989年投產(chǎn)至1999年，共發(fā)生煤與瓦斯突出202次，最大一次突出發(fā)生在南一區(qū)左三巷采煤工作面，突出強度324t，瓦斯涌出量1.2萬m3。

1304工作面位于礦井南二采區(qū)，標高-500～-540m，工作面全長934m，傾向?qū)?80m，沿走向布置。工作面煤厚0.5～1.5m，平均煤厚0.75m，煤層厚度變化較大，靠近斷層處煤層有拉薄現(xiàn)象，變異系數(shù)20%；煤層結(jié)構(gòu)較復雜，含夾矸，夾矸為灰黑色泥巖，平均厚度0.1m。本工作面構(gòu)造較復雜。煤層產(chǎn)狀局部有起伏，受區(qū)域構(gòu)造力作用，小斷層較為發(fā)育。1304工作面煤層瓦斯含量為6.3～7.6m3/min。

2 試驗過程及技術(shù)指標的選擇

西馬煤礦13號煤層為高瓦斯非突出煤層，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合礦井施工區(qū)域的特殊性，雖然13號煤層無突出危險，為加強安全管理，1304工作面掘進及回采期間，采用“超前鉆孔預排瓦斯和四位一體綜合防突措施”。

2.1 突出預測

以《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》為基礎，結(jié)合13號煤層的實際情況，以鉆屑量S和瓦斯解吸指標Δh為主要預測指標；以各種動力現(xiàn)象、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及變化程度、構(gòu)造煤變異程度、瓦斯涌出異常等為輔助指標。當上述主要指標超限時，即認為工作面具有突出危險性；當輔助指標異常時，需要分析其異常的原因，在確認為與突出危險無關(guān)時，方可排除輔助指標預測突出危險的結(jié)論。

在13號煤層掘進工作面進行區(qū)域驗證時，在掘進工作面布置3個預測鉆孔，鉆孔的深度為8～10m。鉆孔布置在軟分層，中間一個鉆孔位于巷道中部與掘進方向一致，另外兩個鉆孔開孔于工作面兩側(cè)巷幫內(nèi)0.5m處，終孔于巷道前方預計輪廓線外2～4m。采煤工作面進行防突預測時，每隔10m布置一個防突預測鉆孔。鉆屑量的測定從鉆孔第1m開始，每施工1m用專用容器收集孔口鉆屑，并用彈簧秤稱量，鉆屑量的臨界值采用規(guī)定的S=6kg；Δh值的測定在鉆鉆孔每2m、4m、6m、8m時用WC-2防突測定儀進行測定，Δh值的臨界值Δh=200Pa。掘進過程遇到下列情況時，均視為有突出危險：地質(zhì)構(gòu)造破壞帶，如斷層、褶曲等構(gòu)造；煤層傾角、厚度、走向或傾向等賦存條件急劇變化以及軟分層增厚地帶(軟分層厚度≥0.3m)；打鉆過程出現(xiàn)噴孔、卡鉆、頂鉆、吸鉆等動力現(xiàn)象；工作面出現(xiàn)明顯的突出預兆：頂板來壓、支架斷裂、煤壁片幫、掉渣與外鼓，煤壁光澤暗淡、層理紊亂，瓦斯涌出忽大忽小、工作面溫度降低，煤壁前方附近出現(xiàn)煤炮聲等；采掘應力疊加區(qū)域。

為了提高預測及指標數(shù)據(jù)的可靠性，對打鉆工藝及防突儀器的操作做了以下要求：①鉆孔施工、指標測定由專人負責，以消除由于施工與測定技術(shù)差異引起的操作誤差；②施工鉆孔前要仔細觀察巷幫支護情況、頂板受力情況、煤壁特征等，并做詳細記錄；③在測定Δh值時，應當盡可能減少人為因素對測量造成的誤差；④測量鉆屑量時，盡可能多的收集到鉆屑，以提高鉆屑量的準確度；⑤預測效檢測過程中要具有高度的責任心，詳細記錄預測及檢驗過程中的各種動力現(xiàn)象。

2.2 掘進工作面消突措施

當預測及校檢有突出危險時，應該及時采取消突措施，不能盲目進尺。根據(jù)礦井瓦斯自然排放半徑0.5m的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和13號煤層的實際厚度，采取的主要治理瓦斯措施是在工作面施工9個8～10 m深，75mm大直徑瓦斯排放及卸壓鉆孔。鉆孔的布置綜合考慮煤體狀況，主要布置在分層及構(gòu)造煤層中，同時，通過觀察煤層延伸方向，從三維空間的角度設計最少的鉆孔達到最好的治理瓦斯目的。在鉆孔施工過程中詳細記錄動力現(xiàn)象，如噴孔、卡鉆、響煤炮等，發(fā)現(xiàn)有異常情況及時通知相關(guān)部門處理。

當掘進工作面遇褶曲構(gòu)造，即煤層彎曲變形的構(gòu)成形式，除掘進方向沿煤層走向不變，加強轉(zhuǎn)彎巷道處的支護外，保留5m以上安全超前距離，利用風鉆鉆向前方煤層多打孔，然后用液壓鉆機打部分巖孔進入褶曲轉(zhuǎn)折端煤層并過全煤層，再對轉(zhuǎn)折端煤層排放孔檢驗，有效后方可掘進。

2.3 采煤工作面瓦斯治理

根據(jù)1304工作面煤層賦存條件和瓦斯涌出來源分析，在回采期間采用高位鉆孔抽采、高位瓦斯抽放巷抽采、尾巷埋管抽采的瓦斯綜合治理措施。1304工作面瓦斯治理設計如圖1所示。

圖1 1304工作面瓦斯治理設計

在抽采過程中對高位鉆孔抽采管道內(nèi)的瓦斯體積分數(shù)和流量進行監(jiān)測，每隔7d收集一次數(shù)據(jù)，由實測數(shù)據(jù)繪制的鉆孔抽采的瓦斯抽采濃度和瓦斯流量隨時間的變化關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 瓦斯抽采濃度隨時間變化

圖3 瓦斯抽采流量隨時間變化圖

由圖2可知，瓦斯抽采濃度最高可達86.51%，平均抽采濃度為56.37%。從圖3中可知，抽采流量剛開始時為4.31m3/min，最大可達7.53m3/min，平均瓦斯流量為6.52m3/min，抽采效果較好，有效地降低了工作面瓦斯體積分數(shù)，最高不超過0.45%，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

在實施高位鉆孔后，每半個月對鉆孔瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率進行觀測，結(jié)果繪制如圖4～6所示。

圖4 鉆孔瓦斯抽采量隨時間變化

圖5 風排瓦斯抽采量隨時間變化

圖6 瓦斯抽采率隨時間變化

從圖4～6中可以看出，采取高位鉆孔措施后，鉆孔累計抽采瓦斯量達146.25萬m3，保持了較高的瓦斯抽采率，平均在70%左右，最高可達79.66%，風排瓦斯總量為70.33萬m3，回風流中的瓦斯體積分數(shù)明顯降低，最高時也僅僅為0.38%，保證了工作面的安全回采。不僅如此，在綜合治理之前，由于瓦斯超限，出于安全考慮而不得不放慢工作面的推進速度，進行治理后，推進速度得以提高，不僅保證了工作面的安全，也提高了經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

在礦井深水平地質(zhì)構(gòu)造復雜區(qū)域采取“超前鉆孔預排瓦斯和四位一體”的綜合防突技術(shù)防治煤與瓦斯突出，根據(jù)1304煤層厚度和預測情況，施工掘進循環(huán)超前預排瓦斯鉆孔和防突措施孔。通過預排瓦斯鉆孔或防突措施孔，降低地應力、瓦斯壓力和瓦斯含量，相應增加構(gòu)造煤強度，同時提高巷道支護強度，保證發(fā)生突出的阻力大于動力，防治煤與瓦斯突出故事故。工作面回采期間采取的高位鉆孔抽采、高位瓦斯抽放巷抽采、尾巷埋管抽采的瓦斯綜合治理措施，有效地解決了回采工作面的瓦斯超限等事故。