急傾斜煤層工作面防治片幫及瓦斯治理方法探析

文/許海亮趙景忠

新鐵煤礦作為龍煤集團(tuán)七臺(tái)河分公司東部區(qū)主力礦井，地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，但由于地質(zhì)條件復(fù)雜，傾角大，制約了企業(yè)的發(fā)展。面對(duì)復(fù)雜而艱難的開采條件，新鐵煤礦積極探索，勇于創(chuàng)新，根據(jù)急傾斜煤層采煤工作面易片幫及瓦斯涌出易超限的現(xiàn)象，分析采煤工作面原巖應(yīng)力及采動(dòng)應(yīng)力對(duì)工作面片幫的影響及瓦斯涌出的原因，采用施工大孔徑卸壓瓦斯釋放鉆孔解決急傾斜煤層采面片幫及瓦斯涌出的治理方法，破解了工作面大傾角、頂?shù)装迤扑?、安全系?shù)不高、生產(chǎn)效率低等難題，為礦井安全生產(chǎn)起到了積極作用。

一、工作面概況

新鐵煤礦六采區(qū)綜采三隊(duì)工作面位于六采區(qū)西部，走向長(zhǎng)度為568米，傾向長(zhǎng)度為125m，可采儲(chǔ)量為14.1萬噸。煤層為復(fù)合結(jié)構(gòu)，深黑色，質(zhì)軟，金屬光澤，下部含有一層夾矸，厚度為0.15~0.25m。煤層走向 63°~75°之間， 平均傾角38°，平均厚度 1.4m。

煤層直接頂厚為1.0m~1.5m粉砂巖，局部膠結(jié)差，隨采隨落?；卷敽駷?.0m細(xì)砂巖、較硬。在回采工作面中除F:42斷層外，在回采工作面下順槽（57右八片）中部發(fā)育一條正斷層，斷層走向140°，傾角80°，落差為1.2m。煤層瓦斯賦存以吸附狀態(tài)為主，可解析瓦斯含量為6.8m3/t，煤層抽采困難，煤壁極易片幫，煤壁片幫后瓦斯瞬間涌出，易造成工作面瓦斯超限。

二、煤壁片幫及瓦斯涌出概況

工作面初采時(shí)，走向回采至10m時(shí)煤壁未發(fā)生片幫及瓦斯超限現(xiàn)象，走向回采至11~34m時(shí)煤壁多次發(fā)生小面積片幫及瓦斯超限現(xiàn)象，工作面最大瓦斯?jié)舛?.6%。工作面走向回采至35~38m時(shí)頂板初次來壓，來壓期間在工作面傾斜方向65m處出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，片幫深2.5m、傾向長(zhǎng)度5.2m，工作面瓦斯?jié)舛?.7%。傾斜方向82m處再次出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，片幫深3.2m、傾向長(zhǎng)度5.1m，工作面瓦斯?jié)舛?.2%。工作面走向回采至36~66m時(shí)在工作面回采過程中繼續(xù)出現(xiàn)小面積片幫及瓦斯超限現(xiàn)象，工作面最大瓦斯?jié)舛?.1%。采面走向回采至67~72m時(shí)頂板周期來壓，工作面在傾斜方向78m處發(fā)生片幫現(xiàn)象，片幫深1.1m，傾向長(zhǎng)度8m，工作面瓦斯?jié)舛?.0%。傾斜方向96m處再次發(fā)生片幫現(xiàn)象，片幫深2.3m，長(zhǎng)度6m，工作面瓦斯?jié)舛?.8%。片幫煤體堵塞下出口，導(dǎo)致工作面微風(fēng)，給安全生產(chǎn)帶來了不利因素。

三、治理方案

1.采用方法

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，技術(shù)人員提出了采用大孔徑卸壓瓦斯釋放鉆孔治理煤壁片幫及瓦斯超限現(xiàn)象。在綜采三隊(duì)采面下順槽采用ZDY-3200S型鉆機(jī)施工鉆孔（鉆孔間距12m），采用水排渣方式施工Ф400mm （導(dǎo)向桿前端連接Ф113mm鉆頭，導(dǎo)向桿后端連接Ф400mm擴(kuò)孔鉆頭）孔徑鉆孔與上順槽鉆透。

2.鉆孔施工方法

根據(jù)煤層的賦存條件，施工鉆孔過程中為防止孔內(nèi)大量煤體下滑堵塞鉆孔下口，在開孔施工6m時(shí)，采用擴(kuò)孔的方式增大開孔孔徑，擴(kuò)孔至400*800橢圓形斷面，繼續(xù)施工鉆孔過程中必須保證鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，供水水壓、水量充足。為防止孔內(nèi)片幫大量煤體下滑困難出現(xiàn)堵孔夾鉆現(xiàn)象。施工一根鉆桿后，待孔內(nèi)煤體全部下滑后再施工下一根鉆桿。為防止施工鉆孔與上順槽貫通時(shí)瓦斯瞬間超限（孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到50%以上），鉆孔施工距上順槽貫通5m時(shí)，先采用Ф113鉆孔與上順槽貫通，使孔內(nèi)瓦斯限量排放，待瓦斯?jié)舛认陆档?.8%時(shí)，使用Ф400鉆孔與上順槽貫通。

3.施工鉆孔后回采時(shí)的實(shí)際情況

（1）鉆孔施工前后工作面瓦斯涌出對(duì)比情況。

施工鉆孔前工作面落煤瓦斯涌出量曲線圖見圖1。工作面82部支架，落煤時(shí)間140分鐘，瓦斯涌出三次，工作面最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2.8%，瓦斯絕對(duì)涌出量3.2m3/min并伴有片幫現(xiàn)象，瓦斯涌出現(xiàn)在工作面中上部。

施工鉆孔后工作面落煤瓦斯涌出量曲線圖見圖2。工作面82部支架，落煤時(shí)間50分鐘，瓦斯超限0次，最大瓦斯?jié)舛?.8%,瓦斯絕對(duì)涌出量0.92m3/min。

圖1 施工鉆孔前瓦斯涌出量曲線圖

圖2 施工鉆孔后瓦斯涌出量曲線圖

（2）鉆孔施工后工作面回采效果。由于工作面應(yīng)力釋放，采面推進(jìn)速度明顯增加，落煤時(shí)間降低了90分鐘，瓦斯絕對(duì)涌出量降低了2.28m3/min，開采過程中未出現(xiàn)片幫及瓦斯超限現(xiàn)象，保證了工作面安全生產(chǎn)。

四、解決煤壁片幫及瓦斯涌出的機(jī)理

1.解決煤壁片幫的機(jī)理

在原巖應(yīng)力區(qū)施工大孔徑鉆孔，煤層內(nèi)部應(yīng)力得以釋放，減輕采動(dòng)應(yīng)力與煤層內(nèi)部應(yīng)力疊加出現(xiàn)應(yīng)力峰值增大現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔進(jìn)入到采動(dòng)應(yīng)力影響范圍內(nèi)，依靠鉆孔形成的自由面，在應(yīng)力作用下使孔周圍煤壁塑性區(qū)域增大，在持續(xù)壓力的作用下，鉆孔周圍煤壁出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，煤體內(nèi)部應(yīng)力釋放，應(yīng)力重新分布達(dá)到平衡狀態(tài)。由于采面繼續(xù)推進(jìn)，鉆孔周圍煤體的應(yīng)力平衡被打破，孔周圍煤壁繼續(xù)出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，鉆孔周圍煤壁經(jīng)歷應(yīng)力變化—平衡—再變化的過程，達(dá)到了煤體持續(xù)卸壓的效果，從而使應(yīng)力峰值減小前移，減輕了工作面煤壁支撐強(qiáng)度，減小了煤壁片幫的幾率。

2.解決瓦斯涌出的機(jī)理

鉆孔施工后，煤體應(yīng)力得到釋放，在應(yīng)力作用下鉆孔周圍煤體塑性區(qū)域增大，使煤體裂隙不斷增加，導(dǎo)致煤體滲透性發(fā)生變化。由于影響吸附—解析平衡的條件發(fā)生變化，破壞了吸附平衡，致使吸附氣體轉(zhuǎn)化為游離態(tài)而脫離吸附體系，吸附—解析動(dòng)態(tài)平衡體系中吸附量減少，使部分瓦斯在鉆孔處提前釋放，減小了工作面開采的瓦斯涌出量，解決了工作面瓦斯超限對(duì)安全生產(chǎn)帶來的重大災(zāi)害。

五、結(jié)論

1.大傾角煤層開采后，采后中上段巖層冒落填充下段，使采面中上段位置的巖層處于活動(dòng)劇烈不穩(wěn)定的狀態(tài)，采面下段巖層處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，使之在煤壁支撐壓力分布不均，煤壁中上部頂板應(yīng)力相對(duì)大于下部的應(yīng)力，根據(jù)工作面生產(chǎn)實(shí)際情況，煤壁片幫及瓦斯涌出發(fā)生在采面中上部。

2.在原巖應(yīng)力區(qū)施工大孔徑鉆孔，煤層內(nèi)部應(yīng)力得已釋放，減輕采動(dòng)應(yīng)力與煤層內(nèi)部應(yīng)力疊加出現(xiàn)應(yīng)力峰值增大現(xiàn)象。同時(shí)，利用鉆孔空間使采動(dòng)應(yīng)力及煤體內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，減輕工作面煤壁支承強(qiáng)度，達(dá)到卸壓效果，降低煤壁片幫的幾率，并使鉆孔周圍煤體塑性區(qū)域增大，改變吸附-解析動(dòng)態(tài)平衡體系，使煤層內(nèi)瓦斯得到自然釋放，解決工作面瓦斯超限問題。

3.施工大孔徑鉆孔工藝對(duì)治理急傾斜煤層煤壁片幫及瓦斯超限等問題起到顯著的效果。鉆孔施工與工作面回采可平行作業(yè)，施工鉆孔的設(shè)備和材料可重復(fù)利用。工作面回采過程中，圓班進(jìn)尺1.6m提至2.4m，工作面落煤378噸增至567噸，每月可多生產(chǎn)5292噸，生產(chǎn)效率提高1.5倍。工作面未出現(xiàn)片幫及瓦斯超限現(xiàn)象，提高了回采工作面生產(chǎn)水平和效率，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。