煤巷條帶區(qū)域“三位一體”瓦斯治理技術(shù)研究與應(yīng)用

于國林

摘 要：松軟煤層采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯的防突措施后，煤巷掘進(jìn)期間，局部區(qū)域瓦斯涌出量不均勻，易發(fā)生瞬間升高現(xiàn)象，特別是水力沖孔后產(chǎn)生的孔洞，增加了掘進(jìn)期間的瓦斯管理難度。結(jié)合礦井實際情況，本研究采用穿層鉆孔預(yù)抽+卸壓帶抽采+深孔預(yù)注水的綜合瓦斯治理方案，解決了煤巷掘進(jìn)期間瓦斯異常涌出的問題，實現(xiàn)了煤巷快速掘進(jìn)。

關(guān)鍵詞：瓦斯治理;煤巷條帶;三位一體;松軟煤層

中圖分類號：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0061-03

Abstract： After adopting the anti-outburst measures of drilling and pre-draining coal lane strip gas in two1 soft coal seams， during coal road excavation， the gas emission in some areas is uneven， and the phenomenon of instantaneous rise is easy to occur， especially the holes produced after hydraulic punching increase the difficulty of gas management during tunneling. Combining the actual situation of the mine， this study adopts the comprehensive gas treatment plan of pre-drainage through drilling + pressure relief zone extraction + deep hole pre-injection， which solves the problem of abnormal gas emission during coal roadway excavation and realizes rapid coal road excavation.

Keywords： gas control;coal road strip;trinity;soft coal seam

煤炭資源在中國經(jīng)濟發(fā)展中占有重要位置，而瓦斯災(zāi)害是影響煤炭生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，對職工安全及煤礦安全生產(chǎn)的威脅最大[1]。結(jié)合云蓋山煤礦一礦煤巷掘進(jìn)情況，本文對掘進(jìn)期間瓦斯涌出源進(jìn)行分析，依據(jù)多措并舉的瓦斯防治思路，總結(jié)出穿層鉆孔預(yù)抽+卸壓帶抽采+深孔預(yù)注水“三位一體”的瓦斯治理方案，既有效防治了煤與瓦斯突出，又大大降低了生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量，改善了工作面的作業(yè)環(huán)境，確保了煤巷工作面的安全高速掘進(jìn)。

1 概況

云蓋山煤礦一礦位于禹州煤田西部，主要開采二1煤層，屬煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層賦存不穩(wěn)定，煤巷掘進(jìn)采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的防突措施并配合水力沖孔卸壓增透措施，經(jīng)檢驗，各項指標(biāo)和條件都符合防突要求后，方可掘進(jìn)[2]。巷道掘進(jìn)至320 m時，回風(fēng)流瓦斯變量過大，瓦斯?jié)舛葧r常超過0.3%，風(fēng)排瓦斯量最高達(dá)到2.8 m3/min。對此，在工作面進(jìn)行淺孔抽放鉆孔和淺孔注水，但受時間和空間位置關(guān)系的影響，效果甚微。經(jīng)分析，瓦斯主要來自工作面落煤和后巷煤體，據(jù)此優(yōu)化施工方案，調(diào)整煤巷掘進(jìn)工序，利用底抽巷穿層鉆孔超前煤巷32 m進(jìn)行深孔預(yù)注水，同時，在工作面后方5 m進(jìn)行淺孔抽放鉆孔，解決掘進(jìn)期間瓦斯涌出量增大的現(xiàn)象。

2 巷道的瓦斯涌出源分析

22206運輸順槽月計劃進(jìn)尺90 m，工作面實際風(fēng)量為530 m3/min，巷道已掘進(jìn)493 m。對巷道上下幫的瓦斯涌出量進(jìn)行檢測，自掘進(jìn)工作面向后200 m的區(qū)域，安排專職瓦檢員按每10 m布置一個測定點的方法進(jìn)行瓦斯檢測（巷道掘進(jìn)至320 m時出現(xiàn)回風(fēng)流瓦斯偏高情況），發(fā)現(xiàn)后巷瓦斯?jié)舛确植疾痪揖植科?，最大達(dá)到0.56%，130 m后出現(xiàn)下降趨勢，而這一區(qū)域煤體平均厚度為6 m左右。在采取區(qū)域防突措施時，為了保證不留空白帶，沖孔控制全煤厚度，在底抽巷對應(yīng)區(qū)域加大了煤體的沖出煤量。單孔沖出煤量最高達(dá)到18 m3，由此判定回風(fēng)流瓦斯異常升高的原因為底抽巷水力沖孔造成煤體出現(xiàn)一定的孔洞或裂隙，致使巷幫煤體受掘進(jìn)應(yīng)力影響，孔洞或裂隙內(nèi)的殘余瓦斯大量釋放。

根據(jù)瓦斯?jié)舛惹闆r，22204運輸順槽掘進(jìn)工作面里程493 m向后120 m的范圍內(nèi)都有升高趨勢，70 m巷幫的瓦斯涌出濃度大于0.3%，最大為0.56%，如圖1所示。針對瓦斯涌出分布情況，采用淺孔抽放鉆孔措施，從而減少巷幫瓦斯的涌出。

3 瓦斯治理措施分析

3.1 穿層鉆孔預(yù)抽和水力沖孔泄壓

云蓋山煤礦一礦的煤層是兩軟一硬煤層，即煤層軟、底板軟、頂板硬，由于頂板受上覆巖層重力作用影響，煤體內(nèi)部裂隙受重力壓縮作用，處于封閉或半封閉狀態(tài)[3-5]。煤層透氣性系數(shù)為0.003 4～0.103 7 m2/（MPa2·d），煤層透氣性極差，其屬于不易抽放煤層。通過比較分析，效果最好的瓦斯防突治理措施就是穿層水力沖孔泄壓。簡單來說，煤巷掘進(jìn)采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的方法，輔助大量沖孔對煤體進(jìn)行泄壓。

通過現(xiàn)場檢測驗證，沖出的煤泥在底抽巷全風(fēng)壓行道內(nèi)經(jīng)沉淀、儲存和計量后（從孔內(nèi)流出到上皮帶轉(zhuǎn)運前大約有8 h），對沉淀煤體表面（測定位置距煤體表面1 cm）的瓦斯涌出量進(jìn)行濃度測定，因煤體表面進(jìn)行了風(fēng)量稀釋，瓦斯?jié)舛缺３衷?.1%～0.3%，之后對煤體表面以下2 cm內(nèi)的部分進(jìn)行剝離，再進(jìn)行瓦斯?jié)舛葴y定，測出的數(shù)據(jù)介于2.5%～8.0%，經(jīng)0.5 h后，測定結(jié)果保持在0.2%～0.5%，依次進(jìn)行向下操作，都會有類似的測定結(jié)果。結(jié)合煤體透氣性系數(shù)對這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，云蓋山區(qū)域的煤層透氣性極差，靠單一的抽放解決煤與瓦斯突出問題，效果不會很好。理想的方法就是加大沖孔煤量，改變煤體賦存條件，卸瓦斯壓力，卸地應(yīng)力，從而增加煤體裂隙，提高抽放率，達(dá)到有效防突的目的。

水力沖孔具體情況是根據(jù)水力沖孔有效影響半徑，每米煤段沖出不少于1 m3煤量，厚煤區(qū)域或瓦斯含量相對高的區(qū)域每米煤段沖出煤量不少于3 m3。按照水力沖孔抽放3個月后抽放半徑為8.5 m設(shè)計，22204運輸順槽鉆孔組間距為8 m，每組布置7個鉆孔。同時，對于原始瓦斯含量高及效果檢驗異常的區(qū)域，繼續(xù)執(zhí)行補充穿層加密鉆孔措施，與原措施鉆孔的間距為4 m，每組有3個鉆孔，控制22204運輸順槽巷道中部及兩幫寬度在20 m，每米煤段沖出煤量增加到不少于4 m3。

鉆孔封孔使用“兩堵兩注”囊袋式帶壓封孔工藝，采用分離式封孔管，封孔長度不小于10 m，煤厚小于5 m的鉆孔必須穿過煤層0.5 m，全程下封孔管。

3.2 底抽巷穿層鉆孔深孔預(yù)注水

為有效地降低工作面瓦斯含量及掘進(jìn)期間的產(chǎn)塵量，掘進(jìn)工作面借助底抽巷進(jìn)行深孔預(yù)注水。在底抽巷超前掘進(jìn)工作面進(jìn)行注水時，壓力為4 MPa，單孔注水不低于40 m3或臨近鉆孔出水。其間利用原來施工的穿層孔進(jìn)行注水，嚴(yán)格按照注水技術(shù)設(shè)計，結(jié)合掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度，有序拆除抽放管，封裝注水管，并安排專人負(fù)責(zé)管控注水時間和注水流量。

3.3 卸壓帶抽采

受底抽巷穿層水力沖孔對煤體透氣性改變以及掘進(jìn)應(yīng)力的影響，掘進(jìn)工作面后巷上幫煤體裂隙發(fā)育，瓦斯賦存量大，它是后巷瓦斯涌出的主要來源。因此，采取的防范措施是淺孔抽放鉆孔，進(jìn)行卸壓帶抽采，降低后巷瓦斯涌出。自工作面向后3～5 m，沿上幫鉆單排孔，孔深為15 m，孔徑為75 mm，孔間距為0.8 m，采用插入式封孔器進(jìn)行封孔，每天施工一組鉆孔，共有6個。當(dāng)抽放濃度低于1.5%時，進(jìn)行甩孔停抽。

4 效果分析

4.1 瓦斯指標(biāo)和動力現(xiàn)象分析

采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯的防突措施和水力沖孔卸壓增透措施后，煤巷條帶區(qū)域內(nèi)最高原始瓦斯含量為9.85 m3/t，區(qū)域效果檢驗時，檢測結(jié)果都降低到小于6.0 m3/t。煤巷掘進(jìn)期間無發(fā)生響煤炮聲、噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象，尤其經(jīng)過大量沖孔后，煤體內(nèi)的應(yīng)力得到充分釋放，極大地削弱了煤與瓦斯突出的動力。

4.2 瓦斯涌出量對比分析

22204運輸順槽在掘進(jìn)到590 m時，對比區(qū)域選取22204運輸順槽里程493～573 m段，此區(qū)域已經(jīng)采取了“三位一體”的底抽巷穿層鉆孔深孔預(yù)注水和卸壓帶抽采措施，該段煤層厚度為3.5～7.0 m，沿二1煤層頂板掘進(jìn)，煤層頂板標(biāo)高為-110～-112.1 m，該范圍內(nèi)原始瓦斯含量為4.12～9.85 m3/t，原始瓦斯壓力為0.00～0.32 MPa。采取區(qū)域防突措施后，實測殘余瓦斯含量為4.03～5.06 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.1 MPa。另一對比區(qū)域是里程350～400 m段，此區(qū)域依據(jù)監(jiān)控保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在沒有采取“三位一體”的底抽巷穿層鉆孔深孔預(yù)注水和卸壓帶抽采措施時，掘進(jìn)期間絕對瓦斯涌出量為0.66～1.43 m3/min。

對于采取“三位一體”的底抽巷穿層鉆孔深孔預(yù)注水和卸壓帶抽采后的區(qū)域，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?，掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量下降，介于0.3～0.4 m3/min，如圖2所示。

4.3 區(qū)域驗證情況分析

22204運輸順槽區(qū)域驗證采用鉆屑指標(biāo)法，若驗證解吸指標(biāo)值不小于160 Pa或鉆屑量不小于6 kg/m，則說明掘進(jìn)工作面有突出危險，反之無突出危險。區(qū)域驗證孔控制巷幫外2～4 m，區(qū)域驗證孔直徑為42 mm，孔數(shù)為3～5個，投影孔深不小于8 m，保留3 m超前距。22204運輸順槽在掘進(jìn)590 m長度內(nèi)，煤厚介于3.0～3.5 m，共執(zhí)行區(qū)域驗證130次循環(huán)，該段區(qū)域驗證的解吸指標(biāo)值保持在100～140 Pa，最大鉆屑量為5. 1 kg/m，區(qū)域驗證指標(biāo)均低于《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定的臨界值，如圖3所示。

4.4 超前預(yù)注水和泄壓帶抽采效果分析

采用底抽巷穿層鉆孔超前注水后，煤層的含水率由原來的1%左右增加到3%左右，降低了煤體硬度，增強了煤體塑性，減小了掘進(jìn)應(yīng)力，提高了防突效果。同時，煤體孔隙率增加，泄壓帶抽采效果提高，掘進(jìn)面后巷的風(fēng)排瓦斯涌出量由平均2.12 m3/min降低到1.06 m3/min，工作面生產(chǎn)期間的產(chǎn)塵量也有了明顯降低，呼吸性粉塵由32.45 mg/m3下降至6.22 mg/m3。

5 結(jié)論

采用穿層鉆孔預(yù)抽+卸壓帶抽采+深孔預(yù)注水的“三位一體”綜合瓦斯治理方案之前，云蓋山煤礦一礦22204運輸順槽掘進(jìn)期間，區(qū)域驗證的最高解吸指標(biāo)值達(dá)到180 Pa，最大鉆屑量達(dá)到5.8 kg/m，之后區(qū)域驗證指標(biāo)明顯降低，最高解吸指標(biāo)沒有超過140 Pa，最大鉆屑量沒有超過5.1 kg/m，無發(fā)生響煤炮聲、噴孔、頂鉆等動力現(xiàn)象。后巷最大瓦斯涌出濃度由0.56%降低到0.30%。掘進(jìn)期間的產(chǎn)塵量大大降低，工作面粉塵量下降至少75%，保證作業(yè)場所的環(huán)境質(zhì)量。掘進(jìn)速度由原來的90 m/月提高到125 m/月，實現(xiàn)了安全快速掘進(jìn)，也為云蓋山礦區(qū)突出煤層煤巷掘進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗。

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