突出煤層分叉上鄰近層瓦斯涌出防治技術探討

甘志軍，肖祖林

（1.豐城市應急管理局，江西 豐城 331100；2.江西煤業集團有限責任公司尚莊煤礦，江西 豐城 331143）

江西煤業集團有限責任公司尚莊煤礦1968年10月投產，2020年核定生產能力0.40 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井，開采單一B4突出煤層，現生產水平為-650 m 水平。礦井西翼B4煤層分叉為B4a煤層和B4b煤層。尚莊煤礦西Ⅰ下山采區390工作面設計開采下分層B4a煤層，采用底板巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯的區域防突措施，經檢驗390 工作面B4a煤層區域防突措施有效。

390 工作面上覆的B4b煤層（平均厚度0.6 m、平均間距9.3 m）未采取區域綜合防突措施，在切眼掘進過程中因支護不及時頂板發生垮冒，導通B4b煤層而造成瓦斯超限事故。在390 工作面開采過程中，上覆間距較小的B4b煤層卸壓瓦斯受回采工作面通風負壓的影響，瓦斯會大量流向采空區、工作面回風隅角，回采過程中易受到瓦斯威脅。為確保390 工作面的安全開采，采取合理的措施預防開采過程中上鄰近B4b煤層瓦斯異常涌出非常有必要。

1 390 工作面瓦斯地質概況

1.1 地質條件

390 工作面東側為西Ⅰ運輸、軌道、回風下山，北側為388 工作面采空區，西側、南側均為原始煤體，工作面采掘工程平面見圖1。390 工作面B4煤層分叉為B4a和B4b兩層，工作面開采B4a煤層，工作面范圍內B4a煤層厚度0.8～1.6 m，平均煤厚1.1 m，煤層相對穩定，B4b煤層厚度0.3～1.0 m，平均厚度0.6 m；煤層傾角18°～23°，平均傾角20°；B4a煤層與上覆B4b煤層層間距為7.0～11.5 m，平均9.3 m，且由東向西逐漸增厚；工作面可采走向長度為369 m，傾向平均寬度為150 m，可采儲量0.083 Mt。采用走向長壁后退式采煤法，爆破采煤工藝，DW18-30/100 型單體液壓支柱與DJB1200 型金屬鉸接梁支護，一次采全高，采高控制在1.3～1.6 m，全部垮落法管理頂板。

圖1 390 工作面平面布置

390 工作面B4煤層老頂為細砂巖，厚7.2 m左右；直接頂為炭質泥巖，厚7～11.5 m；偽底為炭質頁巖，厚0.4 m；直接底為細粉砂巖，厚5.1 m左右；老底為細粉砂巖，厚24.5 m。

在390 工作面兩道及切眼巷道施工過程中，共揭露了5 條正斷層，其落差在0.6～1.5 m 之間，其中的F390-5斷層斜交于風巷與切眼之間，落差在1.5 m 左右，對工作面回采影響較大。

1.2 瓦斯賦存情況

390 工作面B4a煤層在標高-690.8～-732.6 m范圍內采用直接法測定瓦斯含量為7.64～15.30 m3/t，最大瓦斯壓力為2.6 MPa（標高-732.6 m），瓦斯放散初速度ΔP 值13，煤的堅固性系數為0.30，煤層透氣性系數為0.007 092 m2/MPa2·d[1]。

390 工作面B4a煤層采取穿層鉆孔（間排距3 m×3 m）預抽煤巷條帶及順層鉆孔（間距3 m）預抽回采區域煤層瓦斯區域防突措施，抽采時間大于90 d，定點取樣測定煤層殘余瓦斯含量為3.47～4.63 m3/t，均小于臨界值6.4 m3/t，且效果檢驗過程中無噴孔、頂鉆等異常情況，瓦斯抽采達標，區域防突措施有效。

2 B4b煤層突出危險性評估

尚莊煤礦B4煤層結構復雜，為突出煤層。礦井已發生突出63 次，累計突出煤量5 808 t，最大突出強度895 t/次，平均突出強度92.2 t/次，始突深度為-283 m。B4煤層上、下分層煤質特征基本一致，均為低（中）灰分、中揮發分、中（高）硫分、特高發熱量貧瘦煤，因此，原始狀態下的B4b煤層突出危險性大。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，中厚煤層單層開采、中硬巖層、垮落法管理頂板，計算得390 工作面B4a煤層回采時覆巖垮落帶理論高度為5.9 m、最小裂縫帶理論高度為14.9 m，B4a煤層與上覆B4b煤層平均間距為9.3 m，可知B4b煤層位于390 工作面采空區裂縫帶范圍內。

《防治煤與瓦斯突出細則》 第六十四條規定，對距本煤層法向距離小于5 m 的平均厚度大于0.3 m 的鄰近突出煤層，預抽鉆孔控制范圍與本煤層相同。390 工作面范圍內風巷、順槽、切眼控制區域B4a煤層與上覆B4b煤層間距為7.1～11.5 m，其正常賦存區域最小間距大于5 m。同時，390 工作面范圍內B4a煤層與上覆B4b煤層之間賦存有淺～深灰色泥質粉砂巖，賦存完整穩定。因此，390工作面B4a煤層正常賦存區域開采不受B4b煤層突出危險性影響。另外，390 工作面共揭露了5 條正斷層，其落差在0.6～1.5 m 之間，在斷層影響下B4a、B4b煤層層間距將減小，但錯動后層間距仍大于5 m。因此，390 工作面斷層附近局部區域開采受B4b煤層突出危險性影響較小。390 工作面切眼地質剖面見圖2。

圖2 390 工作面切眼地質剖面

3 工作面瓦斯涌出量預測

390 工作面回采期間瓦斯涌出量包括開采層（B4a煤層）和鄰近層（B4b煤層）瓦斯涌出量之和。根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》附錄A 計算開采層和鄰近層瓦斯涌出量[2-4]。

（1）開采層相對瓦斯涌出量計算

式中：q1為開采煤層相對瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數，取1.3；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，回采率取97%，則K2=1/0.97=1.03；K3為采區準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數，經計算取0.83；m 為開采層厚度，平均取1.1 m；M 為工作面采高，取1.3 m；Wc為殘存瓦斯含量，2.06 m3/t；W0為煤層瓦斯含量，根據區域防突措施效果檢驗最大殘余瓦斯含量為4.63 m3/t。

經計算得出390 工作面開采層預抽后瓦斯相對涌出量為2.42 m3/t。

（2）鄰近層相對瓦斯涌出量計算

式中：q2為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個鄰近層煤層厚度，B4b煤層平均煤厚0.6 m；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率，根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》[2]附錄D，B4b煤層取90%；W0i為第i 個鄰近層煤層原始瓦斯含量，取15.3 m3/t；Wci為第i 個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，取2.06 m3/t。

將數據代入（2）式，得出390 工作面鄰近層相對瓦斯涌出量為5.5 m3/t。

綜上所述，預測得出390 工作面回采過程中相對瓦斯涌出量為7.92 m3/t。

（3）390 工作面絕對瓦斯涌出量計算

390 工作面斜長150 m，平均煤厚1.1 m，日推進最大2 m，煤的容重1.37 t/m3，計算得工作面日產量最大452 t，則工作面絕對瓦斯涌出量為2.48 m3/min。

根據《煤礦瓦斯抽采基本指標》、《抽采達標暫行規定》相關規定要求，工作面風速不得超過4 m/s，回風流中瓦斯濃度不得超過0.6%。為了確保工作面安全回采，工作面配風量825～900 m3/min，設置回風流濃度預警值為0.9%，根據礦井實際情況瓦斯涌出不均衡系數取1.8，則工作面風排瓦斯量為4.13 m3/min，通風能滿足排放瓦斯的要求。

瓦斯相對涌出量預測結果表明，390 工作面回采過程中開采層B4a煤層、鄰近層B4b煤層的相對瓦斯涌出量分別為2.42 m3/t、5.50 m3/t，占比分別為30.6%、69.4%。可見，390 工作面回采期間，鄰近層B4b煤層瓦斯對工作面回采影響較大，應當采取有效的鄰近層瓦斯涌出治理措施。

4 鄰近層瓦斯涌出治理措施及效果

為防止B4b煤層對390 工作面回采產生突出威脅，在390 工作面回采期間，采用鉆孔循環探測方法，探測工作面前方40 m 范圍內的煤層層間距及構造賦存情況[5]，對構造區域采取強化支護方案，當工作面與B4b煤層層間距小于5 m 時，補充B4b煤層消突措施。同時，采用高抽巷抽采B4a煤層、B4b煤層卸壓瓦斯，防止回采過程鄰近層瓦斯大量涌出和工作面回風隅角瓦斯超限。

4.1 煤層賦存及構造探測

在距離3901 風巷間隔40 m 布置3 條測線，測線上每個循環分別布置1#、2#、3#共3 個探測孔，1#探測孔垂直工作面頂板施工，2#、3#探測孔沿著工作面回采方向施工，分別控制回采前方17 m、45 m 范圍煤巖結構及構造賦存情況，并要求穿透B4b煤層頂板1 m。探測孔布置剖面見圖3。

圖3 390 工作面探測孔布置

390 工作面自2020年11月29日開采至2021年5月底，共進行了5 個循環探測，探測工作面與B4b煤層最小層間距為9.5～10.3 m，均大于5 m，不采取補充B4b煤層消突措施。

4.2 構造區域加強支護要求

構造區加強支護，一方面可以預防漏冒誘發上鄰近層煤與瓦斯突出，另一方面能夠防止冒落通道的異常瓦斯涌出，390 工作面煤層賦存及構造異常區的加強支護要求如下：

（1）過斷層、構造帶等特殊地段，π 型梁要求“一梁四柱”，并要求使用好戧棚和戧柱進行支護，架設好戧棚加固，要求“一梁三柱”。

（2）根據工作面內揭露斷層的產狀以及工作面的方位，合理安排工作面斜交過斷層，并根據斷層的性質，采用挑頂或抄底的方法過斷層。

（3）確保單體液壓支柱初撐力不小于11.4 MPa。工作面要及時補充單體，備足扁木、板皮、網等背幫護頂材料。

（4）斷層上、下10 m 范圍內要控制采高，嚴禁留頂煤。嚴格執行“多打眼、少裝藥、放小炮”的原則過斷層。

4.3 高抽巷卸壓瓦斯抽采及效果分析

根據390 工作面B4a煤層瓦斯地質條件，390高抽巷布置在B4a煤層頂板上方15～18 m 的巖層中，距離回風巷水平距離約25 m 左右，390 高抽巷卸壓瓦斯抽采見圖4。管路接好后，高抽巷外口砌筑封閉墻，抽采管路接入地面永久抽采系統。

圖4 390高抽巷卸壓瓦斯抽采

390 工作面從投產至2021年5月底已沿走向安全回采220 m。高抽巷抽采瓦斯濃度為3%～11%，純量為1.22～4.1 m3/min，累計抽采純量55.6 萬m3。根據安全監測系統監測數據，隨著工作面的推進，回風隅角瓦斯濃度穩定在的0.5%左右，工作面回風瓦斯濃度保持在0.1%～0.38%之間。390 工作面回風瓦斯濃度監測數據見圖5。

圖5 390 工作面回風瓦斯濃度監測數據

5 結論

1）390 工作面現有構造探測結果顯示，斷層落差0.6～1.5 m，錯動后煤層層間距仍大于5 m，其B4a煤層開采受B4b煤層突出危險性影響較小。

2）相對瓦斯涌出量預測結果得知，390 工作面69.4%的瓦斯涌出來源于鄰近B4b煤層，表明390工作面回采期間鄰近層B4b煤層瓦斯對工作面回采影響較大。

3）采用高抽巷抽采小間距上鄰近層卸壓瓦斯效果顯著，390 工作面回風瓦斯濃度保持在0.1%～0.38%之間，保證了工作面安全生產。