高瓦斯及高突出礦井控制煤層趨勢的探索與應用

孫建維

（晉能控股煤業(yè)集團 胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

0 引言

《防治煤與瓦斯突出細則》第二十九條規(guī)定：在突出煤層頂、底板及鄰近煤層中掘進巷道（包括鉆場等）時，必須超前探測煤層及地質構造情況，分析勘測驗證地質資料，編制巷道剖面圖，及時掌握施工動態(tài)和圍巖變化情況，防止誤穿突出煤層。

高瓦斯、高突出礦井巷道采掘前，采取穿層鉆孔或順層鉆孔的區(qū)域防突措施來預抽煤層瓦斯，而有條件的礦井更是大力推廣定向鉆機，實現(xiàn)鉆孔軌跡可控。本文以晉能控股煤業(yè)集團胡底煤業(yè)有限公司為例，分析在多種抽放鉆孔的分布下，從三維地震煤層底板等高線預判地質構造、定向鉆孔預測煤層趨勢、穿層鉆孔修訂煤層坡度、工作面檢測鉆孔驗證探測結果等方面進行分析，多種鉆孔相互驗證，精確控制，達到超前控制煤層的目的。

1 礦井概況

晉能控股煤業(yè)集團胡底煤業(yè)有限公司是晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部生產(chǎn)礦井，礦井位于晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)境內，井田面積為5.12 km2，生產(chǎn)規(guī)模60 萬t/a。礦井批準開采3 號、15 號煤層，現(xiàn)開采3 號煤層，平均厚度5.72 m，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，3 號煤層原始瓦斯壓力0.72～2.36 MPa，原始瓦斯含量13.51～16.92 m3/t。根據(jù)晉煤瓦發(fā)[2013]392 號《關于晉煤集團2012 年度礦井瓦斯等級和二氧化碳涌出量鑒定結果的批復》，礦井瓦斯等級鑒定結果為煤與瓦斯突出礦井。

胡底煤業(yè)以區(qū)域和局部兩個綜合防突措施為中心，地面網(wǎng)絡預抽、區(qū)域模塊降量、底抽穿層保掘、高位順層保采為瓦斯治理四級模式。地面網(wǎng)絡預抽，超前布置地面氣井網(wǎng)絡，提前5～10 a 以上抽采煤層瓦斯；定向鉆機實施區(qū)域遞進式模塊抽采，降低煤體瓦斯含量，實現(xiàn)區(qū)域模塊降量；底抽巖巷穿層鉆孔及定向鉆機遞進式抽采相結合的方式，解決煤巷的消突問題，保障煤巷安全掘進，提高掘進效率，達到底抽穿層保掘；煤巷順層鉆孔強化采面抽采和高位鉆孔等采空區(qū)瓦斯治理措施保障采面安全回采，實現(xiàn)高位順層保采的目標。

為了滿足井田開拓的需要，對大巷和首采盤區(qū)實施地面三維地震勘探工作，查明了勘探范圍內3號煤層底板的賦存形態(tài)并控制了其深度，掌握了勘探范圍內地質構造的發(fā)育情況，為以后的礦井建設提供了可靠的地質資料。

2 煤層控制的探索與應用

（1）根據(jù)三維地震煤層底板等高線，預判1307 工作面巷道掘進前方煤層坡度及可能存在的地質構造。

地面三維地震勘探是目前較為先進的物探方法，可以較為準確掌握勘探范圍內地質構造和煤層埋深等數(shù)據(jù)。但由于地面三維地震勘探工作受地面環(huán)境影響，且地震資料解釋過程中存在多樣性，造成三維地震資料與實際情況有一定的偏差，在生產(chǎn)過程中需進一步驗證。

13072 巷掘進前，根據(jù)三維地震煤層底板等高線預判1307 工作面巷道掘進前方煤層坡度及可能存在的地質情況，繪制13072 巷預測巷道剖面圖（圖1），沿巷道掘進方向，煤層整體呈上山趨勢，前半部分煤層呈近水平，后半部分局部煤層坡度較大，約8°上山，且三維地震勘探顯示局部發(fā)育小型陷落柱。

圖1 根據(jù)三維地震煤層底板等高線繪制13072 巷剖面圖Fig.1 Drawing 13072 roadway profile based on 3D seismic coal seam floor contour

（2）根據(jù)定向鉆孔見煤層頂?shù)装鍢烁撸A測13072 巷掘進區(qū)域煤層賦存情況。

胡底煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井，井下使用定向鉆機實施區(qū)域遞進式模塊抽采，達到區(qū)域模塊降量，定向鉆孔超前覆蓋煤巷掘進區(qū)域。同時，定向鉆機具有測定鉆孔軌跡的作用，故定向鉆孔探測的煤層頂?shù)装鍢烁呔哂泻芨叩臏蚀_性。

根據(jù)定向鉆孔探測煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，掌握13072 巷掘進區(qū)域煤層賦存情況，且定向鉆機探測顯示13072 巷掘進區(qū)域不存在明顯地質構造或地質異常區(qū)域（圖2）。

圖2 根據(jù)定向鉆機探測標高繪制13072 巷剖面圖Fig.2 Section of 13072 lane drawn according to detection elevation of directional drilling rig

（3）根據(jù)實測1307 底抽巷頂板標高，結合穿層鉆孔，修訂13072 巷掘進前方煤層賦存情況。

穿層抽放鉆孔主要為掩護煤巷掘進，其穿過煤層頂?shù)装澹采w煤巷及其左右20 m 范圍煤層，工作面順槽掘進前，在底抽巷施工上行穿層鉆孔預抽煤巷瓦斯。鉆孔孔深短，可忽略漂鉆的影響，鉆孔數(shù)據(jù)多，能夠消除個別誤差，實現(xiàn)整體對比分析。根據(jù)穿層鉆孔數(shù)據(jù)及底抽巷頂板標高，不僅能夠預測煤巷煤層趨勢，還能夠準確掌握煤層厚度。

根據(jù)對底抽巷施工的穿層進行分析，通過鉆孔見煤位置結合實測巷道頂板標高對煤層厚度及煤層坡度進行進一步掌握（圖3）。根據(jù)煤層修改結果，在編制地質瓦斯月度預報時，對掘進前方煤層賦存情況進行預報，增強了預測預報的準確性，同時隊組也可以提前了解掘進煤層趨勢，提前規(guī)劃生產(chǎn)組織。

圖3 根據(jù)底抽巷標高及穿層鉆孔繪制13072 巷剖面圖Fig.3 Drawing section map of 13072 roadway based on bottom drainage roadway elevation and borehole

（4）根據(jù)13072 巷工作面檢測鉆孔數(shù)據(jù)，不斷驗證13072 巷掘進前方煤層趨勢。

在13072 巷掘進過程中，根據(jù)工作面施工的檢測鉆孔數(shù)據(jù)，分析鉆孔見煤、巖標高，對掘進前方煤層位置的準確性進一步驗證，實現(xiàn)對煤層趨勢的精準控制。

綜合以上控制煤層的方法，通過分析各種抽放鉆孔能夠不斷修訂煤層底板等高線，逐步掌握煤層趨勢，精確控制巷道層位，為安全生產(chǎn)打下了堅實的地質基礎。

3 實測煤層趨勢與預計趨勢對比

13072 巷掘進完成后實測巷道頂板標高，繪制巷道剖面圖（圖4），對比實測巷道剖面與三維地震解釋的煤層趨勢以及根據(jù)定向鉆孔修訂的煤層趨勢，可以較為直觀的對比出，三維地震解釋的煤層趨勢具有較大誤差，尤其是在煤層傾角變化較大的地點，且在傾角變化區(qū)域易解釋為異常。

圖4 13072 巷實測煤層剖面圖Fig.4 Coal seam profile measured in 13072 roadway

根據(jù)定向鉆孔修訂的煤層趨勢與實測的巷道剖面基本一致，僅在小范圍內有較小偏差，可在巷道掘進過程中依據(jù)底抽巷標高，結合穿層鉆孔、檢測孔等鉆孔數(shù)據(jù)及時修正煤層趨勢（圖5）。

圖5 13072 巷實測煤層剖面圖Fig.5 13072 roadway measured coal seam profile

4 結語

經(jīng)13072 巷實測剖面圖與三維地震解釋的煤層趨勢以及根據(jù)定向鉆孔修訂的煤層趨勢，可以得出，三維地震解釋的煤層趨勢具有較大誤差，尤其是在煤層傾角變化較大的地點，而根據(jù)抽放鉆孔修訂的煤層趨勢與實測的巷道剖面基本一致，僅在小范圍內有較小偏差，可在巷道掘進過程中依據(jù)上行鉆孔、檢測孔及時修正煤層趨勢。根據(jù)抽放鉆孔在巷道掘進前、掘進過程中預測、修正煤層趨勢能夠達到準確控制煤層的目的。