薄煤層在原始應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)瓦斯治理綜合技術(shù)研究

羅芹

摘 要：為了預(yù)防薄煤層掘進(jìn)工作面在原始應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)時(shí)發(fā)生瓦斯超限和瓦斯積聚的現(xiàn)象，以及煤層受鄰近層瓦斯壓力的影響發(fā)生煤與瓦斯的突出事故，通過結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用合理調(diào)配風(fēng)量、預(yù)抽煤層瓦斯、超前預(yù)測(cè)和掘進(jìn)期間執(zhí)行循環(huán)前探鉆孔卸壓等瓦斯綜合治理方案，達(dá)到了工作面瓦斯治理的預(yù)期效果，從而保證了薄煤層掘進(jìn)工作面在原始應(yīng)力區(qū)的施工安全。

關(guān)鍵詞：薄煤層；原始應(yīng)力區(qū)；瓦斯；掘進(jìn)工作面

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）21-0003-02

為了準(zhǔn)確掌握受原始應(yīng)力影響下薄煤層地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域瓦斯涌出的規(guī)律、構(gòu)建薄煤層掘進(jìn)工作面在原始應(yīng)力區(qū)和構(gòu)造影響區(qū)的安全生產(chǎn)環(huán)境和保證薄煤層掘進(jìn)工作面的施工安全，現(xiàn)對(duì)重慶能投天府礦業(yè)公司磨心坡煤礦-220 m北K4薄煤層掘進(jìn)工作面掘進(jìn)瓦斯治理綜合技術(shù)進(jìn)行研究。

1 礦井和工作面概況

磨心坡煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，瓦斯、礦塵、煤層自然災(zāi)害嚴(yán)重。該礦井的通風(fēng)方式為混合式，采取“平硐+斜井”的綜合開拓方式，主要運(yùn)輸大巷布置在煤系地層底板的茅口灰?guī)r中，每隔350 m布置了一個(gè)石門。

礦井開采K2、K4、K5、K6、K8、K9煤層，K9為保護(hù)層開采。礦井現(xiàn)主采水平為-220～-115 m，-330 m水平處于巷探階段。全礦共布置了5個(gè)采煤工作面，分別集中于礦井的南、北采區(qū)。

北7403-7402掘進(jìn)工作面的煤層厚度為0.49～0.53 m，平均厚度為0.50 m，賦存穩(wěn)定，層狀構(gòu)造，硬度為2.5，本區(qū)可采，煤層可采指數(shù)為1.00，煤厚變異系數(shù)為9.5%，屬穩(wěn)定煤層。煤巖類型為半亮型煤，煤種為焦煤。

2 工作面瓦斯來源分析

2.1 掘進(jìn)過程中落煤所產(chǎn)生的瓦斯

在工作面掘進(jìn)的過程中，由于礦壓和煤體粉碎的作用，導(dǎo)致原先煤體中處于吸附狀態(tài)的瓦斯迅速解吸變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯，使工作面的瓦斯?jié)舛群屯咚菇^對(duì)涌出量增加。落煤時(shí)產(chǎn)生的瓦斯量主要取決于落煤、煤層瓦斯與煤炭運(yùn)至地表時(shí)殘存的瓦斯含量差。

2.2 工作面圍巖裂隙及鄰近層瓦斯涌入

K4煤層進(jìn)入原始應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)時(shí)，工作面周圍煤體圍巖的壓力將重新分布。工作面前方的壓力將增大，裂隙增多，導(dǎo)致新暴露煤壁中的瓦斯迅速涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量增加，濃度增大。但巷道兩側(cè)煤壁中的瓦斯壓力會(huì)隨著工作面的前進(jìn)和煤壁暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱，巷道和煤體內(nèi)的瓦斯逐漸趨于平衡，瓦斯涌出量逐漸穩(wěn)定。

另外，掘進(jìn)工作面落煤后，頂、底板圍巖和鄰近層的瓦斯將沿著裂隙涌入工作面和回風(fēng)流中，進(jìn)而造成工作面和回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛仍龃?。但隨著頂、底板暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，瓦斯的涌出量也會(huì)逐漸趨于平衡?？傊罕谕咚褂砍鰪?qiáng)度取決于煤層瓦斯的含量、瓦斯壓力、煤層的透氣性、空間條件和煤壁的暴露時(shí)間。

3 瓦斯綜合治理技術(shù)

3.1 增大工作面風(fēng)量，排出瓦斯

由于該掘進(jìn)工作面煤層距北K5、K6煤層較近，且該工作面地質(zhì)情況較復(fù)雜，頂板裂隙發(fā)育，瓦斯壓力大，工作面掘進(jìn)初期的瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)0.5%～0.7%. 綜合以上因素，決定更換工作面局部的通風(fēng)機(jī)，采用型號(hào)為FBD№5.6/2×15的對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)，并采用直徑為800 mm的風(fēng)筒供風(fēng)。更換后，風(fēng)量由原先的164 m3/min提升至285 m3/min，工作面及其回風(fēng)的瓦斯?jié)舛冉抵?.4%，保證了工作面的正常作業(yè)。

3.2 抽放煤層瓦斯

由掘進(jìn)工作面瓦斯來源分析可以得出，大部分的瓦斯來源于工作面本身以及周圍煤壁、圍巖裂隙，因此，治理這部分瓦斯是掘進(jìn)工作面瓦斯治理的關(guān)鍵。根據(jù)巷道煤壁和圍巖的“松動(dòng)圈”理論，掘進(jìn)巷道形成后，其“松動(dòng)圈”厚度會(huì)根據(jù)圍巖性質(zhì)和掘進(jìn)施工工藝不同而改變，進(jìn)而形成的卸壓區(qū)范圍也不同。通過在工作面后方巷幫和本層布置鉆場(chǎng)進(jìn)行抽放，起到隔斷和減少巷道卸壓區(qū)的瓦斯向巷道中涌入的作用，從而降低巷道回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

3.2.1 穿層鉆孔布置

在工作面巷道底板邊間每隔5 m布置穿層抽放鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置5個(gè)鉆孔，鉆孔的控制范圍為巷道輪廓線上方20 m、下方10 m。

3.2.2 順層鉆孔布置

在北7403-7402運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面前方煤體布置順層抽采鉆孔，設(shè)計(jì)走向上投影距離為60 m的條帶預(yù)抽抽放長(zhǎng)孔，鉆孔控制范圍為巷道輪廓線上方20 m、下方10 m，每一輪循環(huán)掘進(jìn)留足抽采長(zhǎng)孔20 m的超前距。根據(jù)礦通風(fēng)技術(shù)人員的考察，終孔的間距為5.4 m。

3.2.3 鉆孔封孔工藝

鉆孔施工完畢后，立即采用聚氨酯AB膠和抽放白膠管封孔，穿層鉆孔封孔深度不得低于8 m，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)置1個(gè)測(cè)流點(diǎn)；順層鉆孔封孔深度不得低于8 m，每個(gè)單孔設(shè)置1個(gè)測(cè)流點(diǎn)。鉆孔封堵嚴(yán)密后，連接抽放管道抽放。

3.3 超前預(yù)測(cè)

3.3.1 預(yù)測(cè)鉆孔布置

因工作面在原始應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)，為了保證工作面作業(yè)安全，在作業(yè)前必須采用鉆屑指標(biāo)預(yù)測(cè)方法對(duì)工作面進(jìn)行超前預(yù)測(cè)，即在工作面走向上布置3個(gè)直徑為42 mm、孔深為10 m的鉆孔。鉆孔應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，盡量布置在軟分層中，控制在巷道輪廓線上方3 m、下方2 m處。

3.3.2 工作面驗(yàn)證

采用ZQS-14/1.0/18型手持式氣動(dòng)鉆機(jī)施工預(yù)測(cè)鉆孔，鉆孔從2 m處開始，每鉆進(jìn)1 m測(cè)定1次鉆屑量，每隔2 m測(cè)定1次鉆屑解析指標(biāo)K1值，根據(jù)每個(gè)鉆孔沿孔長(zhǎng)的最大鉆屑量（Smax）和鉆屑解析指標(biāo)K1預(yù)測(cè)工作面的突出危險(xiǎn)性，當(dāng)實(shí)測(cè)指標(biāo)Smax≥6 kg/m或K1≥0.5 mL（g·min1/2）時(shí)，工作面存在突出危險(xiǎn)，采取工作面排放鉆孔施工；當(dāng)實(shí)測(cè)指標(biāo)小于臨界值時(shí)，工作面無突出危險(xiǎn)，可進(jìn)行掘進(jìn)施工，每一輪循環(huán)施工保留2 m的安全超前距，遇地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段，每一輪循環(huán)保留5 m的安全超前距。

3.4 前探鉆孔

3.4.1 前探鉆孔的作用機(jī)理

前探鉆孔的主要作用是降低巷道前方煤體的地應(yīng)力和瓦斯壓力。前探孔會(huì)排出大量的鉆屑，附近煤體會(huì)向孔內(nèi)自由空間產(chǎn)生彈塑性變形，從而降低了巷道前方煤體的地應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部移動(dòng)。地應(yīng)力與瓦斯壓力間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著游離瓦斯的釋放和吸附瓦斯的解析補(bǔ)充，瓦斯壓力也會(huì)因前探孔施工而降低。實(shí)質(zhì)上，因前探孔的作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瓦斯緩沖帶，這直接降低了巷道前方煤體的瓦斯壓力梯度。瓦斯壓力梯度的計(jì)算方法為：煤體內(nèi)部原始瓦斯壓力和巷道自由面瓦斯壓力之差除以安全屏障的寬度。突然揭露未經(jīng)抽放的原始煤體時(shí)，因缺少緩沖帶，煤體的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)突然改變，瓦斯壓力梯度將突然增大，易引發(fā)突出事故。

在瓦斯地質(zhì)條件不佳的情況下，連續(xù)施工的前探孔可在巷道前方形成一道動(dòng)態(tài)的、可移動(dòng)的安全屏障，這道安全屏障成為了巷道掘進(jìn)最后和最直接的防突安全屏障。

3.4.2 前探鉆孔布置

根據(jù)礦井的實(shí)際情況，該礦的前探鉆孔采用ZF-100型風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)施工，鉆孔直徑為85 mm，壓風(fēng)排粉，孔深在巷道掘進(jìn)方向的水平投影距為13 m，控制在巷道輪廓線上方7 m、下方3 m處，每一輪循環(huán)掘進(jìn)施工保留前探鉆孔5 m的超前距。

4 結(jié)論

針對(duì)-220 m北3-2K4煤層掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛却蟮那闆r，通過采用更換大功率局部通風(fēng)機(jī)增大工作面風(fēng)量的方法，從通風(fēng)系統(tǒng)上有效保證了工作面的安全作業(yè)；通過建立-220 m北3-2K4煤層運(yùn)輸巷抽采系統(tǒng)，解決了工作面鄰近層和本層的瓦斯涌出問題，從而保證了工作面的安全掘進(jìn)。

采用前探鉆孔，是工作面掘進(jìn)在原始應(yīng)力區(qū)必不可少的重要安全措施之一，前探鉆孔的應(yīng)用不僅探明了鉆探前方的地質(zhì)和瓦斯情況，還能形成卸壓帶，進(jìn)而形成有效的安全屏障。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕

Integrated Gas Control Technology Research in the Original Excavation Thin Seam Stress Zone

Luo Qin

Abstract： In order to prevent the gas gauge and gas accumulation phenomenon occurs when the original stress zone Heading Face thin coal seam and coal outburst accident on the adjacent layer by gas pressure of coal and gas， and through a combination of the actual site， using reasonable allocation wind， pre-pumping coal seam gas， ahead of forecast and exploration drilling during the excavation before the execution cycle gas relief and other comprehensive treatment program to achieve the desired effect Face Gas governance， thus ensuring the thin seam construction Heading Face in the original stress zone safety.

Key words： thin seam； original stress areas； gas； heading face