工作面下向鉆孔瓦斯超限原因及應(yīng)對措施

文/賀劍明 武建軍

一、礦井概況

沙曲礦為華晉焦煤有限責(zé)任公司第一對生產(chǎn)礦井，井田走向長 22km，傾斜寬 4.5～8km，面積135km2，地質(zhì)儲量22.52億噸，可采儲量12.76億噸。2004年投產(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)能力300萬t/a。

礦井采用斜、立井混合開拓方式，劃分兩個水平開采。全井田共劃分為25個采區(qū)，其中第一水平15個采區(qū)（北翼6個采區(qū)，南翼9個采區(qū)），二水平10個采區(qū)（北翼5個采區(qū)，南翼5個采區(qū)）。目前主采煤層為4#煤層。

截至2008年，井下南一、南二、北一采區(qū)4#煤已回采完畢。目前生產(chǎn)采區(qū)為南二采區(qū)5#煤層，北二采區(qū)4#煤層，且各布置一個回采工作面，設(shè)計(jì)年產(chǎn)原煤分別為100萬t/a和200萬t/a。各煤層都屬于可以抽采煤層，但都接近難易抽采煤層。

2003年4月25日和4月27日在南二采區(qū)14203軌道巷掘進(jìn)過程中發(fā)生兩次瓦斯異常涌出和動力現(xiàn)象，涌出煤量約47t，涌出瓦斯量約937m3。2005年3月5日煤炭科學(xué)研究總院撫順分院鑒定4#煤層為煤與瓦斯突出煤層。山西省煤炭工業(yè)局批復(fù)結(jié)果為：沙曲礦4#和5#煤層為突出煤層，2#和3#煤層為不突出煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。

從煤層賦存特點(diǎn)來看，沙曲礦為近距離煤層群開采，一層開采，多層卸壓，是造成采掘工作面瓦斯涌出量大的主要原因，4#主采煤層回采工作面面瓦斯涌出量高達(dá)60～80m3/min，掘進(jìn)工作面高達(dá)10m3/min以上。

圖一 工作面綜合鉆孔柱狀圖

圖二15201膠帶巷下鄰近層鉆孔示意圖

二、工作面情況簡介

15201工作面是沙曲礦施工的第一個5#煤工作面，該工作面總體呈單斜構(gòu)造，煤層傾向南西，煤層厚度2.44～3.3m，平均煤厚2.75m，工作面傾向長1181m，走向長179m。整個工作面配風(fēng)900m3/min。

工作面綜合鉆孔柱狀圖如圖一。圖一，5#煤與6#煤平均間距約13～15m，6#煤瓦斯壓力約2.1MPa，上覆L5灰?guī)r為沙曲井田主要含水巖層之一，因水蝕作用在石灰?guī)r中產(chǎn)生了大量裂隙，部分為方解石充填，沒有被方解石充填的裂隙被大量6#煤涌出的瓦斯和水充填，同時上層約5m厚的泥巖又具有較好的密閉性，裂隙內(nèi)瓦斯在漫長的地質(zhì)年代得到了很好的儲存。

為有效解決15201工作面下鄰近層6#煤瓦斯涌出，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)計(jì)施工下臨近層鉆孔，下鄰近層鉆孔采用膠帶巷和軌道巷雙側(cè)布置，鉆孔間距為6m，總進(jìn)尺為8144m。鉆孔與底板夾角為38°，向回采工作面下鉆進(jìn)，5#煤層與6#煤層間距為13～15m，鉆孔施工約19～21m穿透6#煤層，同時為解決煤渣沉淀，則設(shè)計(jì)鉆孔深度約為21～22m。

鉆孔具體布置見圖二。鉆孔施工采用MKQJ120/40潛孔鉆機(jī)施工，擴(kuò)孔孔徑為120mm，鉆孔孔徑為90mm,擴(kuò)孔、封孔長度為3m，聚氨酯封孔。擴(kuò)孔后先用4寸PVC管進(jìn)行封孔，并使用法蘭盤在距孔口200mm處4寸PVC管上連接防噴裝置。結(jié)構(gòu)見圖三。

三、超限原因分析

下向鉆孔自2009年6月25日施工以來共出現(xiàn)了四次瓦斯超限，詳情及原因見表一。

1.地質(zhì)原因

根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)人員描述，打鉆過程中兩次超限都是在鉆屑中出現(xiàn)白色粉末的時候出現(xiàn)的，據(jù)此分析此白色粉末應(yīng)為鉆孔施工到了灰?guī)r層裂隙內(nèi)充填的方解石，施工的鉆孔導(dǎo)通裂隙造成裂隙內(nèi)瓦斯瞬間大量涌出，造成瓦斯超限

目前膠帶巷施工位置處于一個小型背斜構(gòu)造的軸部，因地質(zhì)構(gòu)造原因瓦斯壓力較大，極易出現(xiàn)大量高壓瓦斯噴出，造成了本次超限。

因L5灰?guī)r水量比較大，雖然采取了措施，但在大量瓦斯夾帶水涌出的情況下，灰?guī)r水依然會造成瓦斯抽放通道不暢，使得大量瓦斯通過鉆桿與放噴裝置密封圈之間的間隙涌入巷道。

2.抽放系統(tǒng)原因

抽放系統(tǒng)孔口負(fù)壓100mmHg，在大量瓦斯涌出的情況下不足以抵消瓦斯強(qiáng)大的正壓，故造成大量瓦斯從防噴裝置涌出，在瓦斯涌出量突然增大的情況下，1、2、3點(diǎn)均為正壓且壓力相等，瓦斯通過密封圈和鉆桿之間空隙流向巷道的趨勢與流向抽放管路趨勢相等，在這種情況下防噴裝置只能防止噴鉆對鉆機(jī)操作人員的傷害，并不能防止瓦斯噴出，故大量瓦斯涌入巷道造成兩次打鉆過程的瓦斯超限。

表一 四次超限情況一覽表

圖三下鄰近鉆孔防噴裝置示意圖

四、采取措施

1.采用新式防噴裝置

新式防噴裝置改進(jìn)了密封圈結(jié)構(gòu)，密封圈與鉆桿結(jié)合更為緊密，整套裝置等于多加了兩趟抽放管，能夠最大程度地避免瓦斯的噴出，加大抽放強(qiáng)度。

2.加強(qiáng)抽放管路放水工作

因L5灰?guī)r含水量大，大量的水進(jìn)入抽放管路影響抽放效率，通過放水最大程度地避免抽放管路內(nèi)積水對負(fù)壓的影響。

3.加強(qiáng)人員培訓(xùn)

通過操作人員素質(zhì)的提高，縮短最后一根鉆桿拔出與連接抽放管路的時間，避免拔出鉆桿而抽放管路尚未連接完畢這段時間出現(xiàn)超限。

五、結(jié)論

經(jīng)過以上措施的采取自此后連續(xù)施工36個鉆孔均未出現(xiàn)瓦斯超限。通過下向鉆孔的施工，工作面回風(fēng)流巷的瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.5%以下，工作面回采期間連續(xù)7個月未出現(xiàn)瓦斯超限事故。

根據(jù)沙曲礦實(shí)際情況采用新式防噴裝置，加強(qiáng)抽放管路放水工作，大幅度降低了鉆孔瓦斯超限次數(shù)，扭轉(zhuǎn)了安全生產(chǎn)不利局面。