下峪口煤礦2號(hào)煤層掘進(jìn)區(qū)域綜合防突技術(shù)

賈衛(wèi)東，高 品，姬 東

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 韓城 715400)

0 引言

我國是世界上煤與瓦斯突出事故發(fā)生最頻繁的國家之一，具有事故頻發(fā)性、經(jīng)濟(jì)損失巨大、人員傷亡嚴(yán)重的特點(diǎn)[1-4]。隨著我國淺部煤炭資源賦存的日漸枯竭，我國煤炭開采深度逐步向深部轉(zhuǎn)移，煤與瓦斯突出煤層開采逐漸的成為我國必須面臨的重要難題[5-7]。為了有效控制和預(yù)防礦井煤與瓦斯突出，國內(nèi)外學(xué)者做了大量深入的研究，在瓦斯預(yù)測、突出影響因素和防突技術(shù)等方面取得了大量成果[8-11]。煤與瓦斯突出預(yù)測與防治不僅是世界性難題與研究熱點(diǎn)，也是國家能源安全戰(zhàn)略的重要需求和突破方向。

下峪口煤礦位于陜西省韓城市龍門鎮(zhèn)以北，韓城礦區(qū)東北端，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.50 Mt/a。井田內(nèi)地形較為復(fù)雜，高程變化的幅度大，溝底與山頂比高平均為100～200 m，最高可達(dá)300 m以上。礦井主采2號(hào)、3號(hào)煤層，兩煤層經(jīng)瓦斯等級(jí)鑒定均為煤與瓦斯突出煤層，絕對(duì)瓦斯涌出量為61.74 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為31.39 m3/t。2號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)復(fù)雜，煤層埋深變化較大，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性隨埋深增大而增加。

1 煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害分析

1.1 瓦斯突出參數(shù)

礦井2號(hào)煤層2-1采區(qū)、2-2采區(qū)、2-3采區(qū)不同區(qū)域煤的破壞程度存在差異，主要為粉煤、粉塊煤及塊煤，其破壞類型為Ⅱ～Ⅳ類。由圖1可知，2號(hào)煤層不同區(qū)域瓦斯含量存在較大的差異性。2號(hào)煤的瓦斯放散初速度指標(biāo)Δp=6～13。根據(jù)解吸特性關(guān)系[12]：K1=0.197 6P0.654 6，K2=0.414 3P0.621 0；煤層吸附常數(shù)a、b分別為17.48～24.47 m3/t、0.97～1.46 MPa-1；瓦斯含量為2.58～17.29 m3/t，實(shí)測瓦斯壓力0.78 MPa，煤層瓦斯放散、解吸能力與典型突出煤層相比相對(duì)較弱。

圖1 2號(hào)煤層不同標(biāo)高原始瓦斯含量分布示意Fig.1 Original gas content at different elevations of No.2 coal seam

1.2 瓦斯地質(zhì)分析預(yù)測

2號(hào)煤層瓦斯含量沿走向方向具有顯著性差異，同一標(biāo)高瓦斯含量差異大，不同區(qū)域瓦斯含量相差達(dá)5.4 m3/t；同時(shí)井田范圍內(nèi)不同區(qū)域頂?shù)装鍘r性存在差異，地質(zhì)構(gòu)造主要以褶皺、小型斷裂及層滑構(gòu)造為主，瓦斯地質(zhì)單元無明顯劃分界限，在礦井現(xiàn)有的瓦斯地質(zhì)數(shù)據(jù)條件下，難以劃分瓦斯地質(zhì)單元。2號(hào)煤層若按瓦斯地質(zhì)單元進(jìn)行區(qū)域預(yù)測，地質(zhì)單元內(nèi)沿煤層走向布置測試點(diǎn)不少于2個(gè)，沿傾向不少于3個(gè)，并有測試點(diǎn)位于埋深最大的開拓工程位置。受測點(diǎn)位置及數(shù)量限制，依據(jù)某一標(biāo)高劃分煤層突出危險(xiǎn)區(qū)域，難以準(zhǔn)確地反映出煤層的突出危險(xiǎn)性，可能導(dǎo)致有突出危險(xiǎn)的區(qū)域劃分為無突出危險(xiǎn)區(qū)域，給礦井的安全生產(chǎn)帶來隱患或無突出危險(xiǎn)區(qū)域劃分為突出危險(xiǎn)區(qū)域，影響礦井2號(hào)煤層巷道掘進(jìn)速度。

1.3 煤與瓦斯突出影響因素主控分析

根據(jù)礦井瓦斯地質(zhì)賦存規(guī)律，下峪口井田2號(hào)煤層瓦斯含量與煤層基巖埋藏深度、煤層厚度、褶皺構(gòu)造類型呈正相關(guān)關(guān)系。基巖埋藏深度、煤層厚度越大，瓦斯含量越大；向斜構(gòu)造軸部的瓦斯含量最大，背斜構(gòu)造軸部瓦斯含量最小。礦井井田大中型構(gòu)造不發(fā)育，主要以褶皺、小型斷裂及層滑構(gòu)造為主，尤其2號(hào)煤層的小斷層十分發(fā)育，同時(shí)2號(hào)煤層中經(jīng)常見到一些小型壓梁、底鼓褶曲構(gòu)造；深部近水平煤層走向主應(yīng)力及剪應(yīng)力發(fā)育。采掘工作面附近煤層厚度影響著瓦斯儲(chǔ)量大小，煤層厚度及其變化與瓦斯突出有明顯的規(guī)律性。在煤層厚度突然變薄或變厚處，煤巖體應(yīng)力狀態(tài)也將發(fā)生顯著變化，如圖2所示。

1-變化前；2-變化后圖2 煤層厚度變化對(duì)工作面附近應(yīng)力再分布的影響Fig.2 Influence of coal seam thickness on stress distribution near working face

當(dāng)煤層厚度局部變薄時(shí)，在煤層薄的部分垂直應(yīng)力會(huì)增加；相反，煤層厚度局部變厚時(shí)，在煤層厚的部分垂直應(yīng)力會(huì)減小，而在煤層厚的部分兩側(cè)的正常厚度部分，垂直地應(yīng)力會(huì)增加。同時(shí)，煤層厚度變化越劇烈，應(yīng)力集中的程度越高，因此在這些區(qū)域容易發(fā)生煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害。2號(hào)煤厚0～3.0 m，主要集中在0.70～1.50 m，煤厚局部變化劇烈，局部煤層厚度可由僅見煤線突變?yōu)?.0 m。這種地質(zhì)構(gòu)造客觀上形成的應(yīng)力集中為動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件，突出主要集中在煤層厚度變化及其小型地質(zhì)異常區(qū)域。根據(jù)以上分析，2號(hào)煤層煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的客觀地質(zhì)因素包括：采深、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量、厚度、煤體結(jié)構(gòu)，頂?shù)装鍘r性及其厚度；其采礦技術(shù)因素主要包括開采程序、工作面部署及采掘工藝等誘發(fā)地應(yīng)力場及瓦斯流動(dòng)場演化分布。2號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性，決定了礦井2號(hào)煤層煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象類型的多樣性。

2 掘進(jìn)區(qū)域防突術(shù)

2.1 防突技術(shù)措施流程

根據(jù)下峪口煤礦二水平2號(hào)煤層近水平薄煤層瓦斯地質(zhì)特點(diǎn)、采掘工作面及開拓巷道布置情況，制定有針對(duì)性的區(qū)域綜合防突措施，如圖3所示。

圖3 2號(hào)煤層掘進(jìn)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)措施流程示意Fig.3 Process of dynamic outburst prevention technical measures for excavation of No.2 coal seam

2.2 原始瓦斯含量測試

利用設(shè)計(jì)的區(qū)域防突措施鉆孔中3個(gè)預(yù)抽鉆孔作為前探及煤層瓦斯參數(shù)測試鉆孔，定點(diǎn)取樣測定巷道掘進(jìn)工作面前方25～70 m范圍內(nèi)煤巷條帶的煤層原始瓦斯含量3組，遇到工作面有軟分層時(shí)取煤層結(jié)構(gòu)最軟分層(厚度大于0.3 m)煤樣測定煤的堅(jiān)固性系數(shù)輔助確定瓦斯含量臨界值。結(jié)合測定的煤層原始瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存及噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆，綜合分析該區(qū)域突出危險(xiǎn)性，作為后續(xù)區(qū)域效檢時(shí)臨界值指標(biāo)的確定依據(jù)。單巷掘進(jìn)煤層瓦斯參數(shù)測定鉆孔布置如圖4所示。

圖4 巷道掘進(jìn)時(shí)原始瓦斯含量測定鉆孔布置Fig.4 Borehole arrangement for determination of original gas content during roadway excavation

2.3 巷道掘進(jìn)區(qū)域防突措施方案

鉆孔控制掘進(jìn)工作面前方70 m區(qū)域，巷道兩側(cè)控制范圍為輪廓線以外15 m；鉆孔直徑φ94 mm，鉆孔間距按3.5 m設(shè)計(jì)，待鉆孔有效抽排半徑確定后重新設(shè)計(jì)鉆孔間距；鉆孔布置于煤壁軟分層中，沿煤層傾角進(jìn)行施工。若工作面首次執(zhí)行區(qū)域措施或上一區(qū)域循環(huán)未執(zhí)行區(qū)域措施，則此區(qū)域循環(huán)措施施工21個(gè)鉆孔，其中AYC6、AYC11、AYC16鉆孔利用前探預(yù)測鉆孔作為區(qū)域措施鉆孔；上一區(qū)域循環(huán)已執(zhí)行區(qū)域防突措施的，次區(qū)域循環(huán)措施施工15個(gè)鉆孔(AYC4～AYC18孔)。鉆孔應(yīng)根據(jù)區(qū)域循環(huán)控制范圍的煤層賦存情況進(jìn)行施工參數(shù)設(shè)計(jì)，鉆孔布置示意圖如圖5所示。

圖5 煤巷區(qū)域措施鉆孔布置示意Fig.5 Borehole arrangement in coal roadway area

3 巷道掘進(jìn)區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

鉆孔施工完畢后，對(duì)預(yù)抽鉆孔在有效控制范圍內(nèi)的均勻程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。預(yù)抽鉆孔間距不得大于設(shè)計(jì)鉆孔間距。當(dāng)鉆孔大于設(shè)計(jì)間距時(shí)，補(bǔ)充區(qū)域措施鉆孔，直到滿足要求后進(jìn)行瓦斯抽采效果評(píng)判。經(jīng)評(píng)估小于臨界值(即達(dá)到預(yù)期目標(biāo))，必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

3.1 措施評(píng)價(jià)

預(yù)抽煤層瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐郑涸谶M(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯效果評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)鉆孔抽采時(shí)間、鉆孔間距將預(yù)抽區(qū)域劃分單元進(jìn)行評(píng)價(jià)。預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)為預(yù)抽時(shí)間最長的鉆孔抽采天數(shù)減去預(yù)抽時(shí)間最短的鉆孔抽采天數(shù)的差值與預(yù)抽時(shí)間最長的鉆孔抽采天數(shù)之比。預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)按式(1)計(jì)算

(1)

式中，η為預(yù)抽時(shí)間差異系數(shù)，%；Τmax為預(yù)抽時(shí)間最長的鉆孔抽采天數(shù)，d；Tmin為預(yù)抽時(shí)間最短的鉆孔抽采天數(shù)，d。

殘余瓦斯含量計(jì)算：評(píng)判區(qū)域殘余瓦斯含量計(jì)算見式(2)

(2)

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(píng)價(jià)單元鉆孔抽排瓦斯總量，m3；G為評(píng)價(jià)單元參與計(jì)算煤炭儲(chǔ)量，t。

煤炭儲(chǔ)量計(jì)算：評(píng)價(jià)單元參與煤炭儲(chǔ)量按式(3)計(jì)算

G=(L-H1-H2+2R)(l-h1-h2+R)mγ

(3)

式中，L為評(píng)價(jià)單元煤層走向長度，m；l為評(píng)價(jià)單元抽采鉆孔控制范圍內(nèi)煤層平均傾向長度，m；H1,H2為分別為評(píng)價(jià)單元走向方向兩端巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m；h1,h2為分別為評(píng)價(jià)單元傾向方向兩側(cè)巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m；R為抽采鉆孔的有效影響半徑，m；m為評(píng)價(jià)單元平均煤層厚度，m；γ為評(píng)價(jià)單元煤的密度，t/m3。

3.2 鉆孔布置

巷道掘進(jìn)采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施，為了保證區(qū)域措施效果檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次效果檢驗(yàn)布置不少于5個(gè)效果檢驗(yàn)鉆孔，測定5組殘余瓦斯含量數(shù)據(jù)。區(qū)域措施效果檢驗(yàn)鉆孔布置示意圖，如圖6所示。

圖6 效果檢驗(yàn)鉆孔布置平面Fig.6 Effect inspection borehole layout

3.3 區(qū)域驗(yàn)證

下峪口煤礦區(qū)域預(yù)測瓦斯含量臨界值為試驗(yàn)區(qū)煤巷掘進(jìn)期間采取連續(xù)性區(qū)域驗(yàn)證。當(dāng)區(qū)域驗(yàn)證為無突出危險(xiǎn)時(shí)，在保留不小于2 m超前距的情況下，采取安全防護(hù)措施后方可進(jìn)行采掘作業(yè)。當(dāng)煤巷掘進(jìn)或者鉆孔施工中發(fā)現(xiàn)有突出預(yù)兆必須采取區(qū)域綜合防突措施；當(dāng)區(qū)域驗(yàn)證結(jié)果為有突出危險(xiǎn)(但無突出預(yù)兆)時(shí)，必須采取局部綜合防突措施。

4 結(jié)論

(1)下峪口煤礦2號(hào)煤層從淺部到深部區(qū)域突出危險(xiǎn)性增加，2號(hào)煤層瓦斯壓力最大為0.78 MPa，瓦斯含量最大為17.29 m3/t。

(2)通過對(duì)2號(hào)煤層煤與瓦斯突出進(jìn)行參數(shù)分析及地質(zhì)預(yù)測，總結(jié)2號(hào)煤層煤與瓦斯動(dòng)力災(zāi)害的主控影響因素為采深、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯含量、厚度、煤體結(jié)構(gòu)，頂?shù)装鍘r性及其厚度。

(3)通過對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行測試，建立了下峪口煤礦2號(hào)煤層半煤巖巷掘進(jìn)“瓦斯測試—防突措施—區(qū)域檢驗(yàn)—區(qū)域驗(yàn)證”的“四位一體”區(qū)域動(dòng)態(tài)綜合防突技術(shù)措施并提出了區(qū)域防突技術(shù)措施效果的檢驗(yàn)方法。