突出煤層瓦斯治理薄弱區(qū)域消除突出及應(yīng)力集中技術(shù)研究

朱同功

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467000）

1 工作面概況

平煤股份十礦 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)十礦）設(shè)計(jì)產(chǎn)能2.4 Mt／a，核定產(chǎn)能3 Mt／a，是河南省瓦斯涌出量最大的突出礦井。2012年鑒定瓦斯絕對(duì)涌出量為108.36m3／min。己15煤層為煤礦主采煤層，煤層厚1.5～2.6m，平均為2.2m。

己15-24080工作面位于十礦己四采區(qū)西翼第三區(qū)段，東靠己四軌道下山、己四瓦斯專(zhuān)用回風(fēng)巷、運(yùn)輸下山，西至26勘探線(xiàn)，南臨己15-24060采空區(qū)，北面未回采。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1970m，可采走向長(zhǎng)度1579 m，采面斜長(zhǎng)196 m（斜長(zhǎng)215 m），圈定98 萬(wàn)t 可采煤量。己15-24080工作面采面煤層自開(kāi)切眼向設(shè)計(jì)停采位置由單一己15煤層逐漸向合層過(guò)渡，開(kāi)切眼向外600m己15.16兩煤層夾矸厚度由大于7.0 m 漸變?yōu)樾∮?.1m，再向外逐漸合層。所采己15煤層為突出煤層，煤層堅(jiān)固性系數(shù)0.2～0.5，破壞類(lèi)型為Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53L／min，煤層瓦斯突出預(yù)測(cè)指標(biāo)K 值17～22，原始瓦斯含量為12.37～19.83m3／t，原始?jí)毫?.23～2.4 MPa。

己15-24080工作面共設(shè)計(jì)了4條巷道，沿煤層走向設(shè)計(jì)了己15-24080工作面機(jī)巷和風(fēng)巷；在靠近機(jī)巷和風(fēng)巷傾向下側(cè)10～15 m、煤層頂板以上10～15m 布置了高位巷，以掩護(hù)機(jī)巷和風(fēng)巷掘進(jìn)施工；在己15-24080 工作面采面底板距風(fēng)巷80m處設(shè)計(jì)一底板巷，解決采面中間瓦斯治理薄弱帶問(wèn)題?；夭汕皺C(jī)巷、風(fēng)巷和高位巷采用江蘇中煤礦山設(shè)備有限公司的CMS1-6200／80大扭矩鉆機(jī)進(jìn)行本煤層鉆孔施工，設(shè)計(jì)鉆孔深度100m、鉆孔920個(gè)。為增加瓦斯抽采量及效果，對(duì)抽采效果差的區(qū)域和異常鉆孔進(jìn)行補(bǔ)孔，實(shí)際施工1582個(gè)，百米成孔率76%。由于里段分層，己15煤層平均只有2.2m 厚，鉆孔百米成孔率較低，兩巷鉆孔在采面中部對(duì)穿效果較差，造成里段約600 m 在采面中上部存在約60～70 m 寬的打鉆治理薄弱帶，瓦斯治理效果差，形成了一定的空白帶和應(yīng)力集中區(qū)。

2 問(wèn)題提出及原因分析

己15-24080工作面投產(chǎn)前，為摸清該工作面瓦斯和應(yīng)力災(zāi)害分布情況，十礦分別進(jìn)行了工作面區(qū)域驗(yàn)證、無(wú)線(xiàn)電坑透、礦山CT 等工作，對(duì)采面異常地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力集中分布、富水異常、突出異常等情況進(jìn)行劃分?；夭芍?70 m 以前，采面沒(méi)有異常?；夭芍?70 m 以后 （2013年7月3日以后），一個(gè)月內(nèi)連續(xù)發(fā)生3次采面應(yīng)力顯現(xiàn)、煤體片幫垮落引起高濃度瓦斯超限。

經(jīng)實(shí)地勘查，結(jié)合監(jiān)控曲線(xiàn)、礦山頂板應(yīng)力在線(xiàn)和聲發(fā)射等技術(shù)手段進(jìn)行綜合分析，得出造成超限的原因有以下幾方面：

（1）從瓦斯傳感器吊掛 （傳感器用繩子系在巷道頂部）位置及現(xiàn)場(chǎng)煤體傾出位置看，超限均發(fā)生在己15-24080采面距機(jī)巷90～135m 區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明機(jī)巷鉆孔沒(méi)有完全覆蓋這一區(qū)域，煤體內(nèi)瓦斯沒(méi)有得到有效釋放，創(chuàng)造了高濃度瓦斯涌出條件。

（2）通過(guò)打鉆孔，在靠近機(jī)巷80～90m 的煤體內(nèi)瓦斯及應(yīng)力得到了有效釋放，而在90～135m區(qū)間由于鉆孔沒(méi)有控制到位或控制較少，煤層本身沒(méi)有受到打鉆影響，形成了類(lèi)似孤島的應(yīng)力集中區(qū)，為煤與瓦斯傾出創(chuàng)建了應(yīng)力條件。

（3）在距機(jī)巷60～190m 區(qū)間內(nèi)的煤層底板，己15.16夾矸厚度變化較大，該區(qū)間夾矸厚度在3.0～5.0m （兩側(cè)較小），在該區(qū)間形成一透鏡體狀硬結(jié)核 （相較于靠近兩巷較薄的夾矸而言），形成了底板的高應(yīng)力集中。

（4）在采面距機(jī)巷90～135 m 區(qū)域支架處于高阻力異常狀態(tài)，支架推移后增阻很快，且持續(xù)多日不減。采面這一區(qū)域形成了本煤層高瓦斯賦存、煤層高應(yīng)力區(qū)，上覆對(duì)應(yīng)區(qū)域頂板因打鉆擾動(dòng)小而沒(méi)有卸壓，再加上來(lái)自底板透鏡狀?yuàn)A矸的參與，最終在90～135 m 區(qū)域形成了高應(yīng)力擠壓疊加的現(xiàn)實(shí)。

3 采取措施

3.1 消除應(yīng)力集中

在采面90～135 m 區(qū)間采取深孔松動(dòng)爆破技術(shù)。松動(dòng)爆破鉆孔深度12 m，每個(gè)松動(dòng)爆破鉆孔裝藥5280g，每9m 布置1個(gè)，兩排布置，其中下排孔的終孔位置布置在煤層頂板以上1.3m 處。

對(duì)本煤層和底板夾矸厚度大于3.0 m 以上區(qū)域布置深15m 爆破孔，裝藥爆破，破壞煤層及底板夾矸的完整性，主動(dòng)提前釋放瓦斯和壓力，減少和消除回采期間應(yīng)力釋放幾率。前期沒(méi)有考慮對(duì)底板夾矸的制裂爆破，只對(duì)本煤層爆破，后來(lái)又發(fā)生了一次應(yīng)力顯現(xiàn)、片幫導(dǎo)致的瓦斯高濃度超限，隨即增加了對(duì)底板夾矸的制裂爆破，效果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 生產(chǎn)期間回風(fēng)流瓦斯效果對(duì)比表

3.2 瓦斯超限治理

3.2.1 上隅角及高位巷抽放

在已15-24080 工作面風(fēng)巷布置一趟直徑300mm和一趟直徑200mm 的抽放管，埋管抽放。其中直徑300mm 抽放管深度距上隅角10m 以上，抽采采空區(qū)瓦斯；直徑200mm 抽放管伸入上隅角2～3m，抽采上隅角附近瓦斯。由于高位巷沒(méi)有施工到位，發(fā)揮不了作用，臨時(shí)在高位巷掘進(jìn)頭打大孔徑高位鉆孔 （直徑150mm，終孔在煤層頂20～25m 處），抽采采面上隅角垮落帶附近瓦斯。

3.2.2 異常區(qū)域加密鉆孔的施工及抽排

在采面90～135 m 區(qū)域施工加密鉆孔，每天執(zhí)行一輪15m 深的打鉆循環(huán) （全采面施工一次鉆孔），其它區(qū)域一個(gè)生產(chǎn)循環(huán) （工作面效檢一次）只打一輪鉆 （3d全采面只打一次鉆），并在打鉆班利用直徑200mm 抽放管及時(shí)抽排。

3.2.3 依托聲發(fā)射超前預(yù)警技術(shù)，多手段綜合評(píng)估，杜絕超限

在無(wú)線(xiàn)電坑透及礦山CT 技術(shù)測(cè)試的異常區(qū)域（只在工作面投產(chǎn)前進(jìn)行一次固定測(cè)試，以后不再進(jìn)行），以聲發(fā)射超前預(yù)警為依托，在聲發(fā)射發(fā)生報(bào)警異常后，立即組織分析采面打鉆異常、現(xiàn)場(chǎng)煤體賦存構(gòu)造、頂板在線(xiàn)壓力顯現(xiàn)、采空區(qū)頂板垮落等情況，進(jìn)行綜合評(píng)估。對(duì)頂板應(yīng)力在線(xiàn)壓力居高不下、煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中顯現(xiàn)引起的煤壁劈裂或片幫、底板夾矸大于3.0m 的疊加區(qū)域增加深孔松動(dòng)爆破；對(duì)打鉆出現(xiàn)夾鉆、噴孔的區(qū)域采取加密鉆孔和煤壁注水措施。聲發(fā)射技術(shù)有較好的超前預(yù)警功能，3次以應(yīng)力集中顯現(xiàn)誘導(dǎo)的煤體片幫超限均在聲發(fā)射中有了明顯體現(xiàn)，并在超限前6～10h發(fā)出了預(yù)警。這給現(xiàn)場(chǎng)采面防突工作提供了非常明確直觀的預(yù)警信號(hào)，為預(yù)防以應(yīng)力集中為主導(dǎo)的煤與瓦斯突出提供了依據(jù)，大大有利于超前采取措施消除隱患。把聲發(fā)射異常信號(hào)確定為是否消除突出主要評(píng)估指標(biāo)后，采面再?zèng)]有發(fā)生過(guò)瓦斯超限或突出。

4 實(shí)施效果

回采期間，在坑透和礦山CT 探測(cè)異常區(qū)域，利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)采面瓦斯及應(yīng)力異常區(qū)域進(jìn)行全程監(jiān)控，借助聲發(fā)射技術(shù)的超前預(yù)警功能，通過(guò)對(duì)瓦斯及應(yīng)力集中區(qū)域采取補(bǔ)打加密釋放鉆孔和注水釋放煤體瓦斯和應(yīng)力；再采取深孔爆破技術(shù)，對(duì)瓦斯及應(yīng)力集中區(qū)域的煤體和夾矸大于3.0 m 以上煤體底板進(jìn)行松動(dòng)制裂爆破，消除應(yīng)力顯現(xiàn)誘導(dǎo)的煤與瓦斯突出現(xiàn)象，杜絕了高濃度瓦斯超限。采用上述技術(shù)后，采面沒(méi)有再發(fā)生超限現(xiàn)象，采面單產(chǎn)由原來(lái)的最高3.2萬(wàn)t／月提高到最高6.5萬(wàn)t／月，基本解決了制約安全生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。己15-24080工作面產(chǎn)量由投產(chǎn)初期2萬(wàn)t／月，逐漸增產(chǎn)到目前的6萬(wàn)t／月，產(chǎn)量增加將近3倍。

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