沙曲礦掘進工作面鉆屑瓦斯解吸指標超限淺析

蘇建琴，孔維一

(1. 呂梁市煤炭設計研究院，山西 呂梁 033300； 2. 華晉焦煤集團 沙曲二礦，山西 呂梁 033300)

沙曲礦位于山西省呂梁市柳林縣，是一座年設計生產能力300萬t的煤與瓦斯突出礦井，一直以來礦井采用兩個“四位一體”綜合防突措施以保證礦井的安全生產，但近期礦井多個工作面出現了鉆屑瓦斯解吸指標值超限的情況，為準確分析超限原因，筆者廣泛收集了相關資料，并進行了分析。

1 鉆屑瓦斯解吸指標值K1

鉆屑瓦斯解吸指標值K1綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，K1值越大表明瓦斯解吸速度越大，煤層中積聚的瓦斯就越多，積聚瓦斯產生的壓力就增加的越快，煤層突出危險性就越大。因該值測定操作簡單易行而得到了廣泛的應用。根據《防治煤與瓦斯突出規定》要求，礦井應“選用綜合指標法、鉆屑瓦斯解吸指標法或其它經試驗證實有效的方法”進行區域驗證或工作面突出危險性預測，并對鉆屑解吸指標值做出推薦，見表1.

2 掘進工作面鉆屑瓦斯解析指標值超限情況

沙曲礦長期以來一直采用K1值作為突出危險性預測的指標，但近期發生4次指標超限(>0.5)，3次超過礦井既定值0.3，見表2.

表1 鉆屑指標的參考臨界值表

2.1 工作面煤層情況

4個K1值超限地點分布在不同層位，其中2#煤集中軌道巷、22205軌道巷跟隨2#煤頂板掘進，24104膠帶巷跟隨(3+4)#煤頂板掘進，北二2#底抽巷跟隨6#煤頂板掘進。

2.2 預抽鉆孔情況

以上4個工作面均采取了瓦斯預抽措施，預抽鉆孔設計見表3，4，5，6. 通過鉆孔設計可以看出，工作面鉆孔完全符合區域防突措施要求，均覆蓋了巷道兩幫輪廓線15 m和正前60 m的范圍。

以上鉆孔均抽采時間達半年以上，抽采后對區域預抽煤體進行了效果檢驗，效果檢驗方式為直接測定煤層瓦斯含量，測定結果均小于8 m3/t.

3 理論上可能造成K1值超限的原因

3.1 煤層瓦斯含量高

K1值的物理意義是煤體脫落暴露于大氣之中解吸第一分鐘內，每克煤樣的瓦斯解吸總量，故而煤體瓦斯含量高會造成K1值較高。

表2 近期掘進工作面鉆屑瓦斯解吸指標值K1情況表

表3 2#煤集中軌道巷鉆孔設計參數表

表4 22205軌道巷鉆孔設計參數表

表5 24104膠帶巷鉆孔(4#煤)設計參數表

表6 北二2#底抽巷鉆孔設計參數表

3.2 鉆屑量及鉆屑粒度因素

K1值測定中，鉆屑量是用有固定容積的量杯來取樣的，要求鉆屑自然裝滿量杯，并用篩子輕輕刮平。但是，在現場操作中，鉆屑量往往偏多或偏少，造成測定K1值的偏大或偏小。另外，在測定中使用的樣品粒度為 1～3 mm鉆屑，是用1 mm和3 mm的組合篩子篩分出的。如果沒有經過充分篩分，會使所用鉆屑中混合有較多小于1 mm的鉆屑，這樣，裝在量杯中的鉆屑量會比正常情況下偏多，導致測定出的K1值偏大，同時，由于鉆屑粒度的減小，會在一定程度上使鉆屑瓦斯解吸速度相對增大，導致測定的K1值偏大。

3.3 儀器氣密性因素

儀器是通過測定煤樣罐中的瓦斯解吸壓力來計算鉆屑瓦斯解吸量的，當密封圈或取壓膠管老化，出現裂紋而又未能及時更換，或者由于操作不當使煤樣罐未蓋緊或膠管連接不緊密時，煤樣罐的氣密性將會受到影響，使測定出的K1值嚴重偏小甚至接近于0. 此外，在儀器測定過程中，人工用手接觸煤樣罐或與主機連接的取壓膠管，會使煤樣罐的溫度升高導致罐內壓力增加，使測定出的 K1值不同程度偏大。

3.4 儀器充電量因素

為保證正常測定，在測定過程中儀器的電量應充足，當儀器的欠壓指示燈亮時，表明電池電量不足，此時如果繼續用于測定，則測出的K1值將會產生很大誤差，一般表現為偏大，而且隨著電量的不足，偏大的幅度將增大，甚至達到真實值的一倍以上。另外，由于環境溫度、氣壓會影響鉆屑的瓦斯解吸速度，所以環境參數的改變也會對K1值測定結果產生一定影響。

3.5 煤層軟分層因素

煤層內如有煤質松軟、結構和層理嚴重破壞的軟分層，表現為碎屑狀、磷片狀、糜棱狀、片狀等，往往在其上下底面有滑動痕跡，有時可見包裹體樣，手能輕易掰開，斷面暗淡無光。軟分層因透氣性差，瓦斯含量較高，校檢鉆孔施工在軟分層內，也容易造成K1值偏大。

4 該礦K1值超限的原因

對該礦測定鉆屑瓦斯解吸指標值K1所用的試驗儀器、試樣進行檢查，并進行重復性試驗，通過數據分析，排除操作失誤、儀器等因素，造成該礦K1值超限最主要的原因是客觀條件導致的個別區域抽采效果差，進而造成該區域瓦斯含量高。

1) 2#煤集中軌道巷、22205軌道巷，均布置在2#煤層中，2#煤層厚度僅為0.97 m，鉆孔施工過程中易出現軌跡在煤巖中交替穿過的情況，而如果穿巖距離較長，超過鉆孔抽采半徑，則該巖孔對應位置煤層瓦斯未得到充分釋放，瓦斯含量依然較高。這是造成K1值超限的重要原因。

2) 北二2#底抽巷6#煤層位于巷道頂部，開口距底板高度1.1 m，厚400～600 mm，此處頂部裂隙發育，頂板有裂隙水涌出，部分孔段孔內積水導致抽采效果不均勻，個別孔段瓦斯含量依然較高，造成K1值超限。

3) 24104膠帶巷3#煤厚度1.3 m，夾矸厚度1 m，4#煤1.7 m. 采取的本煤層鉆孔施工均施工在4#分層，因矸石透氣性差，4#煤內的抽采鉆孔對3#煤層抽采效果差，3#煤內瓦斯含量依然較高，造成施工在3#煤中的驗證孔K1值偏高。

5 采取的治理措施

根據上述分析，采取以下措施防止瓦斯超限：

1) 針對2#煤集中軌道巷、22205軌道巷K1值超限情況，延長抽采時間，分析鉆孔軌跡，根據抽采半徑對超過抽采半徑2倍的穿巖孔段補打抽采鉆孔，單獨加設計量裝置，統計預抽單元內的預抽率，并采用測定瓦斯含量的方法進行了區域效果檢驗。

2) 針對24104膠帶巷K1值超限情況，在現場增設自動放水器，改善抽采管路內積水的現象，全天抽采負壓不中斷，確保抽采效果最佳化，同時變更鉆孔設計，施工上向鉆孔，避免孔內積水對抽采效果的影響。

3) 針對北二2#底抽巷K1值超限情況，在現場更換定向鉆機，對夾矸上下的3#、4#煤層分別施工抽采鉆孔。共設計11個鉆孔，分兩排布置，下排鉆孔距底板0.8 m，上排鉆孔距下排鉆孔2 m，上排鉆孔孔間距均為0.8 m，下排鉆孔孔間距均為1 m，1#、2#、3#、4#、5#、6#鉆孔為3#煤層預抽孔，7#、8#、9#、10#、11#鉆孔為4#煤鉆孔。鉆孔布置示意圖及參數見圖1. 本次鉆孔由ZYG-150型鉆機施工，孔深100 m，孔徑為80 mm，封孔、擴孔長度為6 m，封孔采用50 mm聚乙烯管，聚氨酯封孔，與主管路連接采用埋線管，主管路三通處安設孔板流量計、閥門及放水器，以便抽放觀測記錄、調整抽放參數和放水。

圖1 鉆孔布置示意圖

采取以上措施后，該礦上述地點再未發生K1值超限的情況。

6 結 語

沙曲礦采用鉆屑瓦斯解吸指標值作為突出危險性預測指標，近期發生4次指標超限，排除測定過程、儀器等因素后，采取了延長抽采時間、增設自動換水器、更換定鉆機等措施防止瓦斯超限，效果良好，未再出現K1值超限情況。采用鉆孔抽采瓦斯時要注意鉆孔設計不但要橫向涵蓋整個區域預抽控制范圍，還要考慮到煤層具體情況及鉆孔軌跡對于抽采效果的影響。有較厚不透氣夾矸存在的煤層，鉆孔軌跡要分別穿透夾矸上下煤層，以保證對整個區域的瓦斯抽采。