急傾斜煤層群突出規(guī)律及防突對策研究

陳國紅 王中華 孫孌孌

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 3.重慶市科能高級技工學(xué)校, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

★ 煤礦安全 ★

急傾斜煤層群突出規(guī)律及防突對策研究

陳國紅1,2王中華1,2孫孌孌3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037; 3.重慶市科能高級技工學(xué)校, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037)

為探究急傾斜煤層群的防突對策，以巨源煤礦21次突出事故為例，將9個突出煤組按煤種分為貧煤和瘦煤，分別從煤層厚度、煤層傾角、埋深、地質(zhì)構(gòu)造等影響因素分析了突出規(guī)律；并提出了建立防突管理體系、完善防突技術(shù)體系和探索防突新技術(shù)的防治對策。

急傾斜煤層群 影響因素 突出規(guī)律 防治對策

巨源煤礦開采極為復(fù)雜的急傾斜煤層群，開采煤組有12個，各組煤層均不穩(wěn)定，煤層厚度變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)分叉、尖滅和倒轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，屬雞窩狀、串珠狀煤層。煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高，煤層松軟，透氣性差，煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)十分嚴(yán)重，歷史上共發(fā)生突出21次。礦井進入深部開采后，突出危險越來越大，突出機理更趨復(fù)雜。為此根據(jù)礦井已發(fā)生的突出事故，研究突出規(guī)律及防治對策，為確保礦井安全生產(chǎn)及類似條件礦井防突具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 礦井概況

巨源煤礦位于萍鄉(xiāng)市西南，設(shè)計生產(chǎn)能力0.45 Mt/a，井田面積5.57 km2，開采標(biāo)高為+30～-450 m。礦井為突出礦井，自建井以來發(fā)生過21次突出。所采煤層突出危險性大，實測最大瓦斯壓力為2.5 MPa，最大瓦斯含量為13.7 m3/t，煤層透氣性系數(shù)為0.0023～0.0498 m2/(MPa2·d)。歷年的礦井瓦斯涌出量均較大，最大絕對瓦斯涌出量為70 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為17 m3/t。

礦井采用立井—斜井聯(lián)合開拓，共分為4個水平，一水平(-30 m)已開采結(jié)束；二水平(-130 m)為輔助水平，采用立井開拓；三水平(-205 m)為主要生產(chǎn)水平，采用暗斜井開拓；四水平(-330 m)延伸設(shè)計采用立井開拓，目前開采三水平，準(zhǔn)備四水平。采煤方法有走向短壁、水平分層和柔性掩護支架采煤法，采用全部垮落法管理頂板。礦井通風(fēng)方式為中央邊界式，主通風(fēng)機工作方法為抽出式，主、副(立)井進風(fēng)，冬瓜槽井回風(fēng)。井田為一組近于NE傾伏的不完整向斜，次級褶曲斷裂發(fā)育，并發(fā)育滑覆構(gòu)造，構(gòu)造表現(xiàn)形式以斷層為主，褶皺處于次要地位，走向斷層多以逆斷層為主，傾向斷層則以正斷層為主，且傾向斷層切割走向斷層，傾向斷層的落差要大于走向斷層。

2 煤層瓦斯賦存特點

2.1 煤層情況

井田煤系屬上三疊系安源煤組(T3A3)，含煤地層厚度變化很大，總厚度為239～737 m，一般厚度為450 m，含煤系數(shù)為3.56 %。礦井自下而上劃分為12個煤組，其中可采煤組10個(1、5煤組不可采)，主要可采煤組有8個，分別為4、6、7、8、9、10、11、12煤組，各組煤層均不穩(wěn)定，每組有可采煤層1～3層，煤層厚度0～38.65 m，傾角25°～85°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。各煤組中的煤層頂、底板巖性多為泥巖、細(xì)粉砂巖，少數(shù)為炭質(zhì)泥巖。主要可采煤組基本情況見表1。

表1 主要可采煤組基本情況

2.2 煤層瓦斯參數(shù)

巨源煤礦主要可采煤組的瓦斯參數(shù)情況如表2所示。

表2 主要可采煤組瓦斯參數(shù)

由表2可得，突出煤層的瓦斯壓力為1～2.5 MPa，瓦斯含量為8.4～13.7 m3/t，煤的堅固性系數(shù)為0.15～0.3，煤層透氣性系數(shù)為0.0023～0.0498 m2/(MPa2·d)，煤的吸附常數(shù)a為19.27～32.4698 m3/g，煤的吸附常數(shù)b為0.4995～1.42 MPa-1。由此表明煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高、煤層松軟、煤層透氣性差，煤體吸附能力強。

3 突出規(guī)律分析

3.1 突出特征分析

巨源煤礦21次突出事故中，有9個煤組發(fā)生過突出，即1、3、4、6、7、8、10、11、12煤組，其中1、3、4、6、8煤組為貧煤，7、10、11、12煤組為瘦煤，將突出按照煤種統(tǒng)計，基本情況見表3。

表3 按煤種分類突出情況表

由表3可知，在21次突出中，貧煤突出11次，占52.4%；瘦煤突出10次，占47.6%。貧煤以突出為主，而瘦煤以傾出為主，突出強度均較小，最大突出強度分別為186 t、170 t。由此表明，突出以地應(yīng)力和瓦斯壓力為主要影響因素，而失穩(wěn)煤體的自重力為次要因素。

3.2 突出影響因素分析

通過對突出次數(shù)統(tǒng)計，分析突出的影響因素主要有突出誘因、突出地點、地質(zhì)構(gòu)造、突出煤量、埋深、煤層厚度、煤層傾角等。按煤種分類突出誘因、突出地點、地質(zhì)構(gòu)造3個影響因素情況見表4，突出煤量、埋深、煤層厚度、煤層傾角4個影響因素情況如圖1所示。

由表4可知，貧煤和瘦煤突出主要誘因均為放炮，分別占60%、55%；突出地點均以煤巷、上山巖巷為主；貧煤突出多發(fā)生在斷層的區(qū)域，瘦煤突出多發(fā)生在褶皺變化處。

表4 按煤種分類突出影響因素

圖1 突出影響因素

由圖1可知，貧煤突出強度全部大于瘦煤；突出發(fā)生在埋深147～312 m之間，貧煤突出埋深基本上均小于瘦煤；貧煤突出傾角基本上均大于瘦煤；貧煤的突出煤層厚度多數(shù)為4～14 m，瘦煤突出煤層厚度多數(shù)為3～5 m，即貧煤突出煤層厚度大部分大于瘦煤。表明貧煤較瘦煤的突出危險性大。

3.3 突出危險性分析

對9個突出煤組的突出次數(shù)和突出強度進行統(tǒng)計，如圖2所示。

由圖2可知，貧煤中3煤組的突出強度最大，6煤組的突出次數(shù)最多；瘦煤中的11煤組的突出強度最大，12煤組的突出次數(shù)最多。由此表明3、6、11、12煤組的突出危險性較其他煤組的突出危險性大。

圖2 不同煤組突出情況

4 突出防治對策

4.1 建立防突管理體系

(1)建立由礦長領(lǐng)導(dǎo)下的總工技術(shù)負(fù)責(zé)制，即礦長是第一責(zé)任人，礦總工是技術(shù)責(zé)任人，各個部門負(fù)責(zé)人、區(qū)(隊)長、班組長對管轄范圍內(nèi)防突工作負(fù)直接責(zé)任，防突人員對所在崗位的防突工作負(fù)責(zé)。

(2)各級管理人員和井下工作人員必須接受防突知識的培訓(xùn)，方可上崗作業(yè)；并定期進行安全、防突培訓(xùn)，提高人員安全意識和防突技術(shù)水平。

(3)不同煤層瓦斯地質(zhì)條件差異性較大，應(yīng)不斷深化對不同煤層的瓦斯地質(zhì)及其開采技術(shù)條件的突出機理認(rèn)識，并建立瓦斯地質(zhì)研究小組。

(4)礦井突出發(fā)生與斷層、褶曲、煤層厚度變化等地質(zhì)構(gòu)造密切有關(guān)，應(yīng)加強斷層附近的地質(zhì)探測，并建立地質(zhì)測量組。

4.2 完善防突技術(shù)體系

(1)優(yōu)化采掘部署，完善礦井的通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)。

(2)礦井采用煤層群開采，優(yōu)先選用保護層開采，并采用瓦斯立體抽采技術(shù)。

(3)由于礦井可采煤層均為突出煤層，保護層應(yīng)優(yōu)先選擇上保護層且突出危險性小的煤層，但開采前須采取防突措施。開采保護層時，應(yīng)考察保護層的保護效果；根據(jù)保護效果進行卸壓瓦斯抽采，抽采時可以“一巷多用”，即在具備條件時可同時抽采上鄰近層及下鄰近層的瓦斯。

(4)針對不同類型(煤巷、本煤層、揭煤)防突，采用不同抽采方式，建立順層鉆孔和穿層鉆孔相結(jié)合的立體抽采技術(shù)；并嚴(yán)格設(shè)計防突鉆孔施工參數(shù)，建立竣工參數(shù)臺賬和監(jiān)管驗收制度。建立工作面瓦斯立體抽采技術(shù)，工作面采空區(qū)和鄰近層采用高抽巷、傾向大直徑鉆孔等抽采技術(shù)。

4.3 探索防突新技術(shù)

(1)由于礦井煤層透氣性系數(shù)差，且為急傾斜煤層群，可以根據(jù)不同地質(zhì)條件，試驗使用深孔預(yù)裂爆破、水力擴孔、水力壓裂等卸壓增透措施，提高煤層瓦斯抽采效果。

(2)由于煤層群賦存復(fù)雜、突出危險性大，可以探索試驗煤層群條件下的地面鉆井抽采技術(shù)，此技術(shù)可以同時起到抽采開采層采空區(qū)及鄰近煤層瓦斯和探測煤層賦存的作用。

(3)高抽巷能起到一定的防突作用，但成本高，可研究使用頂板走向長鉆孔的防突措施。

(4)針對煤層松軟、施工順層鉆孔出現(xiàn)噴孔、垮孔、卡鉆等極其困難問題，可以試驗使用松軟突出煤層順層鉆孔螺旋鉆進裝備和可減弱噴孔、垮孔的風(fēng)力排渣鉆進工藝。

5 結(jié)論

(1)分析表明礦井的貧煤較瘦煤突出危險性大，貧煤中3、6煤組和瘦煤中的11、12煤組的突出危險性較其他煤組大，據(jù)此可為礦井煤層開采順序和保護層選擇提供依據(jù)。

(2)針對礦井突出規(guī)律及實際情況，提出了有針對性的防突對策，對礦井的安全生產(chǎn)及類似條件礦井防突具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

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Researchonoutburstlawsandcountermeasuresinsteepcoalseamgroup

Chen Guohong1,2, Wang Zhonghua1,2, Sun Luanluan3

(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling, Shapingba, Chongqing 400037, China; 2. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China; 3. Chongqing Keneng Senior Technical School, Shapingba, Chongqing 400037, China)

In order to study countermeasures in steep coal seam group, taking 21 coal and gas outburst accidents of Juyuan Mine as examples, nine outburst coal seam groups were divided into meagre coal group and lean coal group. The outburst laws were analyzed from the aspects of influencing factors including coal seam thickness, coal seam dip angle, burial depth and geological structure. It was proposed that countermeasures by establishing prevention outburst management system, outburst prevention technique system and exploring new technology of outburst prevention.

steep coal seam group, influencing factor, outburst laws, countermeasures

國家重點研發(fā)計劃項目課題(2017YFC0804206)

陳國紅，王中華，孫孌孌.急傾斜煤層群突出規(guī)律及防突對策研究[J].中國煤炭，2017,43(10)：105-108.

Chen Guohong, Wang Zhonghua, Sun Luanluan. Research on outburst laws and countermeasures in steep coal seam group[J]. China Coal, 2017，43(10):105-108.

TD713

A

陳國紅(1978-)，男，甘肅蘭州人，高級工程師，碩士，主要從事煤礦瓦斯突出防治安全技術(shù)與工程的研究工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)