突出煤層工作面分塊精準預測動態(tài)防突技術研究

鄧華易，胡 杰，肖 喬

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3.山東科技大學能源與礦業(yè)工程學院，山東省青島市，266590)

煤與瓦斯突出嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)，目前對煤層消突大多礦井采用大面積鉆孔預抽煤層瓦斯的方法[1-4]。雖然煤層經(jīng)鑒定或認定為突出煤層，但可能發(fā)生突出危險性的區(qū)域僅占煤層的一部分或僅在地質(zhì)構造區(qū)域附近。而對突出煤層盲目采用大面積煤層瓦斯預抽防突措施，必然會增加礦井采掘失調(diào)緊張局面，同時導致鉆孔工程量嚴重浪費。煤層突出危險性預測是瓦斯預抽的關鍵，決定著瓦斯預抽范圍及工程量。而突出煤層工作面分塊段精準預測動態(tài)防突技術的提出正好彌補了礦井盲目采用瓦斯預抽防突措施的不足，同時可避免傳統(tǒng)預測方法因預測面積大、巷道開拓不到位、預測鉆孔少等因素而未有效控制到煤層突出區(qū)域或地質(zhì)構造帶的問題[5-8]。

以四川夏泉煤礦8號突出煤層四采區(qū)4801工作面為現(xiàn)場試驗對象，對4801工作面進行了分塊段精準預測，旨在為同類型條件下突出煤層瓦斯治理提供借鑒。

1 礦井概況

夏泉煤礦位于四川省宜賓市，井田走向長度3 000 m，傾斜長度500 m，面積約為1.5 km2，開采2、8、9號煤層，設計生產(chǎn)能力21萬t/a。礦井劃分為1個水平，4個采區(qū)。其中8號煤層經(jīng)鑒定具有煤與瓦斯突出危險性，為突出煤層，實測最大瓦斯壓力為0.78 MPa。但8號煤層在實際采掘過程中，瓦斯含量從未超過臨界值8 m3/t，僅少數(shù)鉆屑瓦斯解吸指標K1值超過臨界值，整體瓦斯賦存較穩(wěn)定，瓦斯災害較輕。根據(jù)8號煤層實際采掘情況和預測指標分析，8號煤層屬于典型的弱突出煤層[9-10]。

2 精準預測動態(tài)防突技術應用研究

2.1 工程概況

本次試驗地點為四采區(qū)的4801工作面，4801工作面位于礦井東翼，開采8號煤層。8號煤層平均傾角35°，平均煤厚1.8 m，煤層較軟，煤的堅固性系數(shù)0.29～0.47，煤層結(jié)構簡單，無夾矸。4801工作面內(nèi)無明顯地質(zhì)構造，屬于同一地質(zhì)單元。

2.2 精準預測動態(tài)防突技術施工工藝

8號煤層為弱突出煤層，瓦斯災害較小，若盲目施工底板巖石巷道對8號煤層進行全覆蓋穿層鉆孔預抽，將會導致礦井采掘嚴重失調(diào)和工程量浪費。因此，在4801工作面實施動態(tài)防突技術分塊段精準預測，根據(jù)預測結(jié)果制定精準防突措施。

根據(jù)四采區(qū)采掘部署，石門揭穿8號煤層后將布置第1個4801工作面，預計工作面走向長度680 m，傾斜長度120 m。4801工作面分塊段精準預測具體步驟如下：

(1)根據(jù)斷層、瓦斯及煤層賦存情況等因素將4801工作面劃分為8個塊段，每一塊段不超過100 m。

(2)從第一塊段運輸巷和回風巷掘進工作面開始分別各施工1個鉆場，每個鉆場各布置3個長100 m的順層預測鉆孔，共布置6個鉆孔，鉆孔編號分別為1-1～1-6，其中鉆孔1-2和1-5控制煤巷正前方，鉆孔1-1、1-4控制煤巷上幫15 m處，1-3、1-6控制煤巷下幫15 m處。工作面塊段劃分和煤巷掘進工作面預測鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 工作面塊段劃分及煤巷掘進預測鉆孔布置示意

(3)根據(jù)煤巷掘進工作面預測結(jié)果制定相應的防突措施，若預測結(jié)果為無突出危險性，則運輸巷和回風巷分別掘進至80 m后停止掘進。按照《防治煤與瓦斯突出細則》中對區(qū)域預測要求，同一地質(zhì)單元內(nèi)傾向上至少布置3組、走向上至少布置2組測壓鉆孔，同時應在埋深最大及標高最低的開拓工程部位布置有測點[11]。

4801工作面第一塊段預測結(jié)果為無突出危險性，則在第一塊段內(nèi)布置5組順層預測鉆孔，每組預測鉆孔2個，共計10個鉆孔，鉆孔編號分別為1-7～1-16。區(qū)域預測鉆孔布置如圖2所示。

圖2 區(qū)域預測鉆孔布置示意

(4)根據(jù)鉆孔揭露煤層、瓦斯和地質(zhì)構造賦存情況，并結(jié)合區(qū)域預測結(jié)果制定相應的精準防突措施。若預測結(jié)果有突出危險性，則對塊段實施順層鉆孔預抽煤層瓦斯；若預測結(jié)果無突出危險或經(jīng)防突措施效果檢驗無突出危險后，則按照上述相同步驟進行后續(xù)塊段精準預測工作。如此循環(huán)完成4801工作面動態(tài)防突工作。

2.3 預測指標的確定及測定結(jié)果

4801工作面共劃分成8個塊段，進行了8次循環(huán)預測。以4801第一塊段為例，進行預測指標的確定及預測結(jié)果的綜合分析，其余塊段的循環(huán)預測指標和預測結(jié)果分析與第一塊段相同。

煤巷掘進工作面鉆孔施工距離較長，若采用瓦斯壓力作為預測指標，鉆孔在成孔后因煤層較軟而可能出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象[12-14]，或鉆孔封孔時因封孔距離過長，封孔不到位，影響測壓效果。采用SDQ取樣裝置可快速定點取樣，準確測定煤層原始瓦斯含量[15-17]，因此，煤巷掘進工作面預測指標采用瓦斯含量更合理。按照《防治煤與瓦斯突出細則》規(guī)定要求，塊段區(qū)域預測指標采用直接法測定瓦斯壓力和瓦斯含量。

煤巷掘進工作面預測結(jié)果見表1，第一塊段區(qū)域預測結(jié)果見表2。

表1 煤巷掘進工作面預測結(jié)果

表2 第一塊段區(qū)域預測結(jié)果

根據(jù)表1和表2可知，煤巷掘進時測得最大瓦斯含量為6.74 m3/t，未超過臨界值8.00 m3/t；區(qū)域預測測得最大瓦斯壓力為0.61 MPa，最大瓦斯含量為6.86 m3/t，均未超過其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。

3 預測結(jié)果及現(xiàn)場應用效果分析

3.1 預測結(jié)果綜合分析

根據(jù)鉆孔施工情況、已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況以及地質(zhì)構造情況，并結(jié)合本次實測瓦斯參數(shù)情況對4801工作面第一塊段煤層的突出危險性進行綜合分析。

(1)鉆孔施工情況分析。所有鉆孔在鉆進過程中均無卡鉆、頂鉆、噴孔等突出預兆。同時工作面和孔口瓦斯?jié)舛容^穩(wěn)定，無異常瓦斯涌出現(xiàn)象。鉆孔順煤層鉆進時推進壓力和鉆進速度較穩(wěn)定，無陡升陡降現(xiàn)象，鉆孔排渣、反漿均順暢。說明4801工作面第一塊段煤層賦存較穩(wěn)定，瓦斯含量不大。

(2)已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況分析。根據(jù)4801工作面運輸巷和回風巷各掘進的80 m煤巷來看，煤層厚度和傾角無明顯變化，僅中部有一層約為0.2 m厚的軟分層，煤層賦存基本正常。在煤巷掘進過程中未采取任何防突措施情況下，從未出現(xiàn)瓦斯異常涌出、瓦斯動力現(xiàn)象及突出預兆等異常情況。4801運輸巷掘進期間回風瓦斯?jié)舛葹?.24%～0.30%，絕對瓦斯涌出量為0.53～0.66 m3/min；4801回風巷掘進期間回風瓦斯?jié)舛葹?.26%～0.34%，絕對瓦斯涌出量為0.57～0.75 m3/min。說明4801工作面第一塊段煤層賦存穩(wěn)定，無明顯地質(zhì)構造，瓦斯涌出平穩(wěn)，瓦斯賦存量不大。

(3)地質(zhì)構造賦存情況分析。根據(jù)鉆孔和煤巷揭露煤層情況來看，煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯涌出平穩(wěn)，未揭露出明顯斷層。因此，認為4801工作面地質(zhì)構造不發(fā)育。

(4)本次實測瓦斯參數(shù)結(jié)果分析。本次掘進工作面實測瓦斯含量為5.17～6.74 m3/t，最大值為6.74 m3/t，未超過臨界值8.00 m3/t。區(qū)域預測測得瓦斯壓力為0.38～0.61 MPa，最大值為0.61 MPa(埋深320.6 m)；瓦斯含量為4.96～6.86 m3/t，最大值為6.86 m3/t(埋深320.6 m)，均未超過其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。根據(jù)瓦斯含量和瓦斯壓力測定結(jié)果分析，同一測點各測定鉆孔所測得的瓦斯含量和瓦斯壓力值相近，整體呈現(xiàn)出隨埋深增加而增加的線性關系，符合瓦斯含量和瓦斯壓力與埋深的相關關系。

根據(jù)井上下對照圖，4801工作面范圍內(nèi)最大埋深約為342 m，比實測的最大瓦斯壓力和含量處埋深僅增加了21.4 m，埋深增加不大，瓦斯壓力和瓦斯含量變化不大，推算最大埋深342 m處瓦斯壓力為0.69 MPa，瓦斯含量為7.5 m3/t，也均未超過其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。

綜上所述，通過對鉆孔施工情況、已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況、地質(zhì)構造賦存情況、實測瓦斯參數(shù)情況等進行的綜合分析，4801工作面范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯涌出平穩(wěn)，地質(zhì)構造不發(fā)育，無突出危險區(qū)域。

3.2 現(xiàn)場應用效果分析

分塊段精準預測動態(tài)防突技術在本礦井的應用取得良好效果，4801工作面進行了8個循環(huán)區(qū)域預測，預測結(jié)果均為無煤與瓦斯突出危險性。礦井在未采取任何防突措施情況下，實現(xiàn)了4801工作面的安全回采，安全掘進煤巷約1 360 m。取消了底板巷和穿層預抽鉆孔，節(jié)約了約2.3萬m鉆孔工程量，采掘時間縮短了約43%，不僅緩解了采掘接替緊張局面，而且節(jié)省了瓦斯災害治理費用，避免了瓦斯治理的盲目性。

4 結(jié)論

(1)基于夏泉煤礦8號煤層具備典型弱突出煤層的特征、防治突出措施針對性不強、容易造成防突成本增加的工程背景，提出了煤層分塊段精準預測動態(tài)防突技術。

(2)分塊段精準預測動態(tài)防突技術在現(xiàn)場應用的結(jié)果表明：該技術實現(xiàn)了4801工作面的安全回采和煤巷安全掘進約1 360 m，節(jié)約了約2.3萬m鉆孔工程量，采掘時間縮短了約43%，有效節(jié)省了治災成本和治災時間，實現(xiàn)了弱突出煤層瓦斯的高效防治。

(3)分塊段精準預測動態(tài)防突技術，可避免瓦斯災害治理的盲目性，并實現(xiàn)弱突出煤層在未采取任何防突措施下煤巷安全掘進和工作面快速回采，可有效緩解礦井采掘接替的緊張局面，為四川地區(qū)8號弱突出煤層瓦斯治理提供了方向。