煤礦綜掘工作面防突預測與治理措施研究

張杰斌

（山西焦煤集團西山煤電屯蘭煤礦，山西 太原 030052）

煤炭開采過程中，井下巷道的掘進作業對周邊巖層的應力分布造成較大擾動，各部分應力重新分布。同時，煤層和巖層中的瓦斯壓力也受到較大影響。當出現瓦斯高密度集中時，在高地應力持續作用下甚至出現瓦斯和煤突出，瞬間噴射出的煤塵和瓦斯形成的沖擊作用將嚴重破壞煤層和巷道結構。另外，瓦斯集中區的應力釋放后，瓦斯的吸附率急劇降低，周邊煤層和巖層內的瓦斯也大量噴出，從而加速了工作面瓦斯濃度的升高速度，嚴重威脅井下設備和人員安全[1-3]。因此，對于突出高風險礦井，防突工作是煤炭采掘管理的重中之重。

防突工作包含突出風險預測、防突治理措施、治理效果檢驗、防突安全管理等一系列內容。為提高防突管理成效，促進綜掘工作高效、安全進行，本文將結合屯蘭礦12508 綜掘工作面實際情況，對以上環節的實施方法和注意事項進行探討。

1 地質概況

12508 工作面位于屯蘭礦南五盤區右翼，東鄰12510 工作面，南接南五膠帶巷，西為12506 工作面（未施工），北為12303 采空區。工作面地面標高1105～1216m，蓋山厚度450～549m，區域地表以山地地形為主，切割強烈，溝谷縱橫。經對地表調查走訪，區內大部被黃土覆蓋，未發現低洼處積水，地表大南溝為季節性溝谷。

屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，2019 年的礦井絕對瓦斯涌出量為262.4m3/min，相對瓦斯涌出量為46.4m3/t。12508 工作面所采2#煤層最大厚度3.2m，最小2.9m，煤層最大傾角7°，最小傾角2°，煤層普氏硬度0.57，煤層節理發育。根據2012 年重慶煤科院提供的《屯蘭礦2#煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定報告》可知，2#煤層煤的破壞類型為Ⅳ類，瓦斯放散初速度指標ΔP 為15，煤層堅固性系數f 為0.34，原始瓦斯壓力為2.2 MPa，瓦斯含量為9～11.8 m3/t，因此2#煤層鑒定為突出煤層。本文所研究12508 工作面屬于煤與瓦斯突出危險區，因此采用了施工順層走向長鉆孔的區域措施對煤層瓦斯進行預抽。為進一步降低煤層瓦斯突出風險，在預抽基礎上，綜掘工作面還采用了“邊掘邊抽”的工作面防突治理措施，本文將重點對此進行研究。

2 瓦斯突出風險預測

2.1 測定方法及指標

工作面巷道掘進期間，為有效制定防突措施，首先應對煤和瓦斯的突出風險進行預測。針對12508 工作面的實際情況，適宜采用技術較為成熟的鉆屑瓦斯解吸指標法進行檢測。該方法的主要預測指標包括瓦斯解吸指標K1和鉆粉量S，具體如表1 所示。另外，在判斷無突出危險時，除特征指標不超限外，還應同時滿足在檢測鉆孔過程中無噴孔和其他明顯突出征兆。

表1 鉆屑瓦斯解吸指標法突出風險數值對照表

2.2 預測孔設計

鉆屑瓦斯解吸指標法的關鍵是預測孔的設計。根據12508 工作面掘進巷道的斷面尺寸，最終確定在巷道斷面上鉆3 處直徑42mm 的預測孔，如圖1所示。孔深度約10m（遇水、夾矸、構造、陷落柱、煤體太硬等情況時，孔深以實際施工情況為準，但掘進時必須保留2m 的預測超前距），鉆孔傾角按當前位置煤層傾角。2#鉆孔位于掘進巷道斷面中部，其余兩孔與斷面中線夾角呈72°，鉆孔終點應在巷道寬度兩側外2～4m 范圍內。如當前煤層存在軟分層，則應盡量將預測孔布置在軟分層中。

巷道掘進2m 后，可開始進行鉆孔探測。鉆孔時，每前進1m，利用管型測力計對該區段內的全部鉆屑量S 進行一次測量。鉆孔每前進2m，利用WTC瓦斯突出參數儀對鉆屑瓦斯解吸指標K1進行一次測量。

經探測，12508 工作面巷道煤體的K1值和S 值分別為0.85mL/（g·min1/2）和9.4kg/m，均已超過表1“有突出危險”標準。因此判定當前工作面有突出風險，必須采取相應防突措施，以釋放煤體中的瓦斯壓力。

圖1 巷道斷面預測孔設計

3 工作面防突治理措施

3.1 防突治理措施選擇

對于綜掘工作面的瓦斯突出治理，常見局部防突措施包括超前排放鉆孔、深孔松動爆破、水力沖孔等。針對所開采2#煤層的地質特點，適宜采用超前排放鉆孔作為煤巷掘進工作面防突措施。該方法是在保證一定的超前距前提下（一般5m 以上），從掘進工作面順煤層傾向向前方煤體內施工一定數量和深度的鉆孔，從而使煤層中積聚的瓦斯氣體從孔中自然排出，以釋放煤層瓦斯壓力，起到防突效果。

3.2 超前排放鉆孔設計

為防止鉆孔直徑過大造成巖層構造破壞，在工作面第一次執行超前排放鉆孔時，鉆孔直徑選用規格偏小的42mm 孔，當在掘進工作面前方形成深度超過5m 的安全屏障后，再改用直徑75mm 的鉆孔規格，然后以此進行正常防突措施循環。需注意，在經過地質構造破壞帶時，仍需采用直徑42mm 鉆孔，直至通過該區域。

超前排放鉆孔的數量、孔間距、孔深等應根據有效作用半徑確定，但是，需確保鉆孔超前于掘進工作面的距離大于5m，過地質構造破壞區域時至少保留7m，鉆孔傾角為當前煤層傾角。如圖2 所示，12508 工作面掘進巷道的超前排放鉆孔共2 排，21 個孔，孔底間距1m，鉆孔終點控制在巷道兩側輪廓線外5m 位置。

3.3 其他措施要求

（1）超前排放鉆孔施工完畢后，必須保證其在自然狀態下的排放時間大于8h；

（2）如工作面有軟分層時，應根據軟分層分布情況在軟分層中增加鉆孔；

（3）當探測發現當前煤層周邊的地質狀況發生較大改變時，應立即停止施工，并探明狀況，然后對超前排放鉆孔的施工方案進行重新設計。

圖2 工作面防突超前排放鉆孔設計

4 防突措施效果檢驗

4.1 檢驗方法

工作面防突措施實施后，必須進行措施效果檢驗。根據一致性原則，其檢驗方法（包括突出危險的指標值）與工作面突出風險預測方法完全相同，但為防止超前排放鉆孔對檢驗效果的影響，應盡量遠離周邊的超前排放鉆孔，或者與當前的超前排放鉆孔孔距一致。在經過地質構造較為復雜的區段時，需在不同地質層面增加檢驗孔。

當檢測結果顯示工作面仍有瓦斯突出危險時，必須采取其他防突治理措施，例如增加小鉆孔等，再次檢測當前措施效果，直至消除突出危險。對于經檢測已消除突出危險的工作面，則應遵守其他防突安全規程，然后進行正式掘進作業。另外，為保證掘進安全，掘進進尺量應保證留有至少5m 投影長度的超前排放孔超前距，和至少2m 投影長度的檢驗孔超前距。對于構造破壞嚴重的區域，應適當增大超前距數值。

4.2 措施效果分析

在12508 工作面巷道煤體中實施上述防突措施后，經8h 自然排放，然后進行措施效果檢驗，測得的K1值和S 值分別降低至0.33mL/（g·min1/2）和4.1kg/m，均低于表1 的“無突出危險”參數值。可見當前的超前排放鉆孔設計及相關措施已消除工作面的瓦斯突出危險，工作面巷道已具備綜掘條件。

5 防突安全管理措施

（1）設置防突反向風門。為防止發生瓦斯突出時影響進風和其他巷道安全，必須在掘進工作面的進風一側，布置兩道可在瓦斯突出時自動關閉的反向風門，保證兩門間距在4m 以上，且風門到工作面回風巷的距離也應大于10m。在巖巷施工反向風門時，需保證墻垛嵌入巖體內部至少0.2m，墻體厚度大于0.8m；在煤巷施工反向風門時，周邊煤墻必須先挖槽直至硬度較高的幫底，且嵌入深度大于0.5m。另外，從風門經過的水、風、運輸機等通道，在通道口需設置逆向隔斷裝置。通過以上措施，可有效限制瓦斯突出的影響范圍。

（2）設置永久和臨時避難硐室。當發生煤與瓦斯突出后，如因特殊原因不能沿避災路線撤離時，應先撤至永久避難硐室，等待救援。另外，巷道每隔500m 設置1 處臨時避難硐室，室內深度滿足擴散通風的要求，至少能滿足15 人避難。臨時避難硐室在構筑時，一方面，應保證其支護結構穩定，且可與外界電話聯絡；另一方面，應根據設計的最大避難人數，預先儲存可滿足一定時間使用的隔離式自救器、空氣供給系統和飲用水等[4-6]。

（3）設置壓風自救系統。需在距離有突出風險工作面的一定范圍內設置多組壓風自救系統。另外，需在有突出風險巷道的皮帶機、轉載機等有人操作設備旁設置壓風自救系統。單組系統應能同時滿足六人使用，且每人的壓縮空氣供給量大于0.1m3/min。

6 結論

以屯蘭礦12508 綜掘工作面為例，針對高瓦斯綜掘工作面的防突治理和管理問題，根據掘進工作面的地質概況，研究提出了工作面突出風險預測方法和具體防突治理措施并組織實施，對防突治理實際效果進行了檢驗分析。結果表明12508 工作面采用超前排放鉆孔治理瓦斯的措施可消除工作面瓦斯突出危險。同時，為加強防突管理和事故預防，還采取了防突安全管理的若干措施。