上社煤礦15# 煤層區域綜合防突措施應用研究

張 建 光

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 左權 032600）

1 工程概況

本次研究的對象為隸屬于陽泉市上社煤炭有限公司的15105 工作面，15105 工作面開采15# 煤層，煤層均厚為5.70m，采用走向長壁后退式開采，工作面長度為210m，推進方向長度為1560m，采用一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。15105 工作面采用“U+U”型通風方式，共布置四條回采巷道，分別為15105 進風巷、回風巷、底抽巷、高抽巷，其中15105 進風巷和底抽巷進風，15105 回風巷和高抽巷回風。15105 進風巷和回風巷沿15# 煤層頂板掘進，15105 底抽巷布置在距離15#煤層底板15～20m 的下方巖層內，15105 高抽巷布置在與15# 煤層頂板垂直距離40～45m 的頂板巖層內，高抽巷與15105 回風巷水平距離為35m。臨近的15103 工作面回采期間絕對瓦斯涌出量達179.68m3/min， 煤層相對瓦斯涌出量最大達60.76m3/t，且上社煤礦15 號煤層為突出煤層，礦井為突出礦井，15103 工作面數次出現鉆孔噴孔的現象，嚴重影響礦井的正常生產。為確保工作面的回采期間的安全，本次研究以15105 工作面為例，對其煤與瓦斯突出防治措施展開研究。

2 預抽瓦斯區域防突措施

區域防突措施通常指采煤工作面回采巷道掘進及工作面回采之前，對于存在煤與瓦斯突出危險的較大區域采取防突措施，區域防突措施包括開采保護層和預抽煤層瓦斯兩種[1～2]，區域防突措施應當優先采用開采保護層，上社煤礦標高+800m 以下區域及標高+800m 以上煤柱影響區為突出危險區，必須采取區域防突措施。根據煤層賦存情況，15# 煤層為突出煤層，15105 工作面標高均在+800m 以下，整個工作面均為突出危險區域，其上部對應9105 工作面煤層厚度為3.48m，與15105 工作面垂距平均為61.64m，9105 工作面開采時的有效保護層距最大為50m，小于兩個工作面的層間距61.54m，因此，9105 工作面的開采對15105 工作面不能起到有效保護作用。因此，上社煤礦15105 工作面需采用預抽煤層瓦斯作為區域防突措施。

2.1 順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

根據上社煤礦15105 工作面瓦斯賦存、巷道布置情況，在15105 進風巷和回風巷掘進工作面每隔50m 布置一組平行扇形預抽鉆孔，預抽鉆孔控制煤巷掘進工作面前方70m、巷道兩側輪廓線外至少各15m，設計預抽鉆孔終孔間距為2.0m。預抽鉆孔施工時在煤巷掘進工作面等間距布置3 排鉆孔，每排布置8 個鉆孔，距兩幫每排第1 個鉆孔距煤幫600mm，以后每個鉆孔間距400mm，頂層鉆孔距頂板間距1600mm；每排鉆孔開孔間距500mm，底層鉆孔距底板間距為900mm；整個煤巷掘進工作面共布置24 個鉆孔，鉆孔孔徑90mm，封孔深度為15m，預抽時間不少于15 天。順層鉆孔預抽措施實施后，消除掘進工作面發生煤與瓦斯突出的危險后，掘進工作面可持續推進50m，確保掘進工作面前方預留不小于20m 的安全區域，再次進行順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

2.2 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯

根據上社煤礦15105 工作面具體的地質條件，在距15105 工作面底板15～20m 位置的穩定巖層中布置一條底抽巷，底抽巷位于15105 工作面回風巷與15107 工作面進風巷之間。15105 底抽巷在工作面煤巷施工前施工，巷道支護完成后，在其頂板和兩幫施工穿層鉆孔預抽上部兩條煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔終孔覆蓋的范圍在煤巷兩側不小于15m，實際應用為20m，鉆孔終孔處間距為5m，每排18 個鉆孔，排距為5m，鉆孔的直徑為100mm，封孔深度不小于7.5m，預抽時間不少于15 天，穿層鉆孔布置如圖2 所示。

2.3 順層鉆孔預抽回采工作面煤層瓦斯

為確保15105 工作面的安全回采，設計采用順層鉆孔預抽回采工作面煤層瓦斯區域防突措施。工作面走向長度為210m，在15105 工作面進風巷、回風巷分別布置直徑120mm 的順層鉆孔，鉆孔長度為120m，工作面中部存在30m 的鉆孔交叉區域，鉆孔距離巷道底板2.0m，水平間距為1.5m，封孔深度15m，預抽時間不少于15 天，順層鉆孔布置如圖3 所示。

圖2 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

圖3 順層鉆孔預抽回采工作面煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

3 預抽煤層瓦斯區域防突措施效果檢驗

3.1 瓦斯抽采效果預評判

15105 工作面煤巷掘進和工作面回采前，首先采用上述的區域防突措施，為確保煤巷掘進期間和工作面回采期間的安全，通過理論計算驗證煤層的突出危險性，根據上社煤礦15# 煤層的安全生產經驗，當煤層殘余瓦斯含量小于8m3/t 或殘余瓦斯壓力小于0.74MPa 時，即消除了煤層的突出危險[3]。瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量，通過評價單元內抽排煤層瓦斯量、單元內煤炭儲量進行計算。瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量按下式計算[4]：

式中：WCY為煤的殘余瓦斯含量，m3/t；W0為煤的原始瓦斯含量，m3/t；Q 為評價單元鉆孔抽排瓦斯總量，m3；G 為評價單元參與計算煤炭儲量，t。評價單元參與計算煤炭儲量G 按下式計算：

式中：L 為評價單元煤層走向長度，為5.0m；L為評價單元抽采鉆孔控制范圍內煤層平均傾向長度，為2.5m；H1、H2為工作面推進方向兩側巷道瓦斯預排等值寬度，為11.9m，未掘煤巷時為0；h1、h2為工作面長度方向兩側巷道瓦斯預排等值寬度，為15m，未掘煤巷時為0；R 為抽采鉆孔的有效影響半徑，為7.5m；M 為評價單元平均煤層厚度，5.70m；γ為評價單元煤的密度，為1.38t/m3。

上社煤業15105 工作面煤層原始瓦斯含量為60.76m3/t，順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯Q=28.69m3/t，穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯Q=12.14m3/t，順層鉆孔預抽回采工作面煤層瓦斯Q=30.95m3/t；評價單元參與計算煤炭儲量G 均為0.74t。15105 工作面煤巷掘進期間煤層內殘余瓦斯含量約為5.58m3/t，殘余瓦斯含量小于8m3/t，預計15105 回風巷和15107 進風巷掘進期間無突出危險；15105工作面回采期間，煤層內殘余瓦斯含量為2.53m3/t，殘余瓦斯含量小于8m3/t，預計15105 工作面回采期間無突出危險。

3.2 15105 工作面回采期間應用考察

為確保15105 工作面的安全回采，工作面回采期間，工作面煤壁每隔15m 布置一個預測鉆孔，鉆孔深度10m 鉆孔直徑42mm，鉆孔距離煤層底板2.5m，效檢指標為鉆屑解吸指標和瓦斯涌出初速度，鉆屑解吸指數臨界值為4.5L/min，瓦斯涌出初速度臨界值為35mmH2O，只有工作面所用鉆孔的全部指標均低于臨界值時，方可判斷此循環預測結果為無突出危險。在15105 工作面回采初期，考察收集了60m 距離的工作面效檢指標如圖4 所示，鉆屑瓦斯解吸指標基本維持在16.8～23.5mmH2O 之間，鉆孔瓦斯涌出初速度維持在2.55～3.55L/min 之間，兩個效檢指標值均沒有超過規定界限，且在生產過程中沒有發生過動力現象和煤與瓦斯突出預兆，故由已測定的數據來看正在回采中的15105 工作面是安全的。

圖4 15105 工作面回采期間突出危險性考察

4 結 論

上社煤礦15# 煤層屬煤與瓦斯突出礦井，工作面煤巷掘進及工作面回采期間面臨著煤與瓦斯突出的威脅，為解決該問題，本文以15105 工作面為例，對其區域綜合防突措施進行設計研究及應用，并具體分析現場應用的效果，最終成功的確保了15105 工作面的安全高效回采，對于類似礦井煤炭資源的安全高效開采具有很大的參考價值。