超前復(fù)合鉆探在煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯防治中的應(yīng)用

尚會(huì)楊 岳軍文 王風(fēng)鳴

(1.河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司,新疆 830026；2.新疆拜城縣眾維煤業(yè)有限公司，新疆 842300)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，歷史上發(fā)生的9845次煤與瓦斯突出事故中，煤巷掘進(jìn)工作面發(fā)生7482次，占78%。經(jīng)對(duì)有嚴(yán)重突出危險(xiǎn)礦務(wù)局的3802次煤與瓦斯突出事故進(jìn)行分析，煤與瓦斯突出大多發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶及其附近處，其中有2525次發(fā)生在斷層、褶曲、火成巖侵入、煤層厚度發(fā)生變化等地質(zhì)構(gòu)造處，占81.9%，如2014年貴州黔西縣新田煤礦的“10.5”煤與瓦斯突出事故，就發(fā)生在1404回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面前方的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶附近。煤與瓦斯突出通常以地應(yīng)力為主，瓦斯壓力為輔，二者形成一個(gè)較復(fù)雜的瓦斯地質(zhì)力學(xué)綜合體，一旦失衡，就會(huì)發(fā)生“突出”事故。因此，通過超前復(fù)合鉆探，探明煤巷掘進(jìn)工作面前方的地質(zhì)和瓦斯賦存等情況，對(duì)有效防止煤與瓦斯突出事故具有重要的先導(dǎo)基礎(chǔ)作用。

1 礦井概況

庫(kù)拜煤田是新疆地區(qū)重要的焦煤生產(chǎn)基地，眾維煤礦(以下簡(jiǎn)稱該礦)位于庫(kù)拜煤田的西部。礦區(qū)整體呈單斜構(gòu)造，斷裂不發(fā)育。該礦主采Ⅳ13煤層，煤層自西往東逐漸變薄，平均煤厚0.91～10.92m，含夾矸2～3層，且含有f≤0.3的軟分層，煤層傾角29°～33°，煤層頂板為中～粗粒砂巖，局部具炭質(zhì)泥巖偽頂，底板為粉砂巖或細(xì)粒砂巖。雖然礦區(qū)斷裂不發(fā)育，但是地質(zhì)異常帶、隱伏構(gòu)造帶一定程度上對(duì)煤層及其頂?shù)装逶斐善茐?，影響瓦斯在煤層中運(yùn)移，對(duì)瓦斯產(chǎn)生聚集或釋放作用，造成瓦斯分布不均，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中和高壓瓦斯區(qū)域。加之煤層頂板中～粗碎屑巖厚6.94～19.44m，上覆厚層砂質(zhì)泥巖、粉砂巖層，其透氣性稍差，地層和煤層中的水流動(dòng)性差，均不利于瓦斯逸散，該礦煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

隨著礦井不斷延深，開采深度增加，煤層瓦斯壓力和含量均呈增大態(tài)勢(shì)，加之小型地質(zhì)構(gòu)造增多，瓦斯問題愈加突出，成為制約礦井安全生產(chǎn)的首要因素。雖然2013年鑒定為高瓦斯礦井，但2015年在+2050m標(biāo)高處測(cè)得煤層瓦斯壓力達(dá)到1.32MPa，瓦斯含量12m3/t。按照《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的要求，未完成突出危險(xiǎn)性鑒定前，應(yīng)按照突出煤層進(jìn)行管理。因此，該礦在鑒定為煤與瓦斯突出礦井前，堅(jiān)持采用超前復(fù)合鉆探，精準(zhǔn)掌握煤巷掘進(jìn)工作面前方煤體的地質(zhì)和瓦斯賦存基本條件后，嚴(yán)格執(zhí)行兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，保證了礦井掘進(jìn)工作的安全實(shí)施。

表1 眾維煤礦三采區(qū)IV13煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表

2 超前復(fù)合鉆探技術(shù)的應(yīng)用

2.1 超前復(fù)合鉆探工作思路

該礦超前復(fù)合鉆探實(shí)行“兩分析、兩探查、兩驗(yàn)證”工作思路。即：每個(gè)區(qū)域條帶掘進(jìn)前，對(duì)煤層原始瓦斯含量和煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析；采用長(zhǎng)、中、短探孔相結(jié)合的方式對(duì)掘進(jìn)工作面前方的煤層賦存、地質(zhì)變化進(jìn)行探查；兩驗(yàn)證指區(qū)域驗(yàn)證和局部效檢指標(biāo)驗(yàn)證。

2.2 超前復(fù)合鉆探鉆孔布置

該礦超前復(fù)合鉆探分三個(gè)步驟進(jìn)行。一是沿掘進(jìn)方向每120m作為一個(gè)區(qū)域防突評(píng)價(jià)單元。超前長(zhǎng)鉆探孔按照分層布置方式施工三個(gè)長(zhǎng)鉆孔分別控制兩層夾矸所分成的三個(gè)煤分層，中間鉆孔控制掘進(jìn)前方120m的中間分層，兩幫鉆孔分別控制下分層煤和上分層煤，并控制巷道輪廓線外30m范圍。選取測(cè)點(diǎn)測(cè)定煤層瓦斯含量并進(jìn)行煤質(zhì)指標(biāo)化驗(yàn)，詳實(shí)記錄打鉆期間遇到的異常情況以分析、判斷掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況及瓦斯賦存情況。二是在區(qū)域驗(yàn)證后，局部防突單元評(píng)價(jià)前，施工三個(gè)鉆探孔控制掘進(jìn)前方30m范圍、巷道輪廓線外5m范圍和三個(gè)煤分層，以探明掘進(jìn)前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。三是沿掘進(jìn)方向每10m作為一個(gè)局部防突評(píng)價(jià)單元，短鉆孔按照分層布置方式，在兩層夾矸所分成的三個(gè)煤分層中各施工三個(gè)短鉆孔分別控制掘進(jìn)前方10m和巷道輪廓線外5m范圍，選取測(cè)點(diǎn)測(cè)定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和鉆屑量S值，并詳實(shí)記錄打鉆期間遇到的異常情況以分析、判斷掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況及瓦斯賦存情況。

2.3 超前復(fù)合鉆探分析

以該礦在三采區(qū)回風(fēng)下山第一個(gè)區(qū)域防突評(píng)價(jià)單元為例。所施工的超前鉆探孔在鉆進(jìn)30～54m位置巷道中心線左側(cè)出現(xiàn)深度不一的鉆孔遇巖情況，當(dāng)鉆進(jìn)至54～77m范圍時(shí)，出現(xiàn)塌孔、堵鉆、卡鉆現(xiàn)象，且有不同程度噴孔現(xiàn)象，取樣實(shí)測(cè)此條帶最大瓦斯含量為11.44m3/t，遠(yuǎn)高于該區(qū)域瓦斯等值線5m3/t。依據(jù)所測(cè)煤樣煤質(zhì)指標(biāo)分析，該區(qū)域煤的揮發(fā)分為15.37%,遠(yuǎn)低于正常值23.14%，煤的揮發(fā)分越低，煤的變質(zhì)程度越高，瓦斯含量越大。依據(jù)該礦在三采區(qū)軌道下山、三采區(qū)輸送機(jī)下山掘進(jìn)過程中揭露上分層煤厚變化帶范圍推測(cè)，在該區(qū)域前方30～77m范圍煤層賦存發(fā)生變化，主要原因?yàn)槊簩釉诔擅簳r(shí)因古河流沖蝕造成上分層煤層厚度變薄，其頂部沉積條件發(fā)生變化，沿方位347°向兩側(cè)延伸，而形成厚度不一的偽頂，局部出現(xiàn)軟分層，形成特殊的煤厚變化帶。依據(jù)后期局部防突單元所施工鉆孔分析，三采區(qū)回風(fēng)下山沿中線前方30～54m為0.3～1.8m上分層煤層煤厚賦存變化帶，54～77m為上分層煤從0.3～1.7m的變化帶。受此影響，此區(qū)域瓦斯地質(zhì)條件變化復(fù)雜，另?yè)?jù)地形圖觀察，此區(qū)域礦井埋深在500～530m范圍內(nèi)，瓦斯變化梯度大。

2.4 采取的措施

根據(jù)礦井編制的《三采區(qū)瓦斯治理設(shè)計(jì)》，該條帶共需布置瓦斯抽放鉆孔22個(gè)，但是通過超前鉆探已判定出該條帶存在地質(zhì)異常帶，該礦及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，鉆孔由控制上部?jī)蓪用焊臑榭刂迫齻€(gè)煤分層，鉆孔由22個(gè)增設(shè)至37個(gè)。鉆孔施工完畢后，也對(duì)所施工超前鉆探孔期間所預(yù)測(cè)的地質(zhì)構(gòu)造帶進(jìn)行了驗(yàn)證和圈定。詳見圖1上分層鉆孔成果圖及圖2中間分層鉆孔成果圖，圖中陰影部分為異常帶。

圖1 上分層鉆孔成果圖

圖2 中間分層鉆孔成果圖

3 取得的效果

該礦在煤巷掘進(jìn)工作面通過超前復(fù)合鉆探孔的施工，探明了隱伏構(gòu)造帶，并及時(shí)采取措施，避免了瓦斯事故的發(fā)生。同時(shí)，利用同樣的方法探查出1301下順槽通尺100m左右隱伏的的正斷層，經(jīng)取樣分析軟煤帶煤層瓦斯含量達(dá)到11.37m3/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該區(qū)域瓦斯等值線中的6m3/t；探查出1301下順反掘巷通尺140m隱伏的背斜構(gòu)造，經(jīng)取樣分析背斜軸部煤層瓦斯含量達(dá)到9.33m3/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該區(qū)域瓦斯等值線中的6m3/t。通過采取施工順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，各瓦斯異常區(qū)的煤層瓦斯含量均降低到5m3/t以下，保證了巷道的安全掘進(jìn)，取得的安全效益是無法估量的。

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