沙曲礦掘進(jìn)工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)超限淺析

蘇建琴，孔維一

(1. 呂梁市煤炭設(shè)計(jì)研究院，山西 呂梁 033300； 2. 華晉焦煤集團(tuán) 沙曲二礦，山西 呂梁 033300)

沙曲礦位于山西省呂梁市柳林縣，是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300萬t的煤與瓦斯突出礦井，一直以來礦井采用兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施以保證礦井的安全生產(chǎn)，但近期礦井多個(gè)工作面出現(xiàn)了鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值超限的情況，為準(zhǔn)確分析超限原因，筆者廣泛收集了相關(guān)資料，并進(jìn)行了分析。

1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值K1

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值K1綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，K1值越大表明瓦斯解吸速度越大，煤層中積聚的瓦斯就越多，積聚瓦斯產(chǎn)生的壓力就增加的越快，煤層突出危險(xiǎn)性就越大。因該值測定操作簡單易行而得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》要求，礦井應(yīng)“選用綜合指標(biāo)法、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法或其它經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)有效的方法”進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證或工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測，并對鉆屑解吸指標(biāo)值做出推薦，見表1.

2 掘進(jìn)工作面鉆屑瓦斯解析指標(biāo)值超限情況

沙曲礦長期以來一直采用K1值作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測的指標(biāo)，但近期發(fā)生4次指標(biāo)超限(>0.5)，3次超過礦井既定值0.3，見表2.

表1 鉆屑指標(biāo)的參考臨界值表

2.1 工作面煤層情況

4個(gè)K1值超限地點(diǎn)分布在不同層位，其中2#煤集中軌道巷、22205軌道巷跟隨2#煤頂板掘進(jìn)，24104膠帶巷跟隨(3+4)#煤頂板掘進(jìn)，北二2#底抽巷跟隨6#煤頂板掘進(jìn)。

2.2 預(yù)抽鉆孔情況

以上4個(gè)工作面均采取了瓦斯預(yù)抽措施，預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)見表3，4，5，6. 通過鉆孔設(shè)計(jì)可以看出，工作面鉆孔完全符合區(qū)域防突措施要求，均覆蓋了巷道兩幫輪廓線15 m和正前60 m的范圍。

以上鉆孔均抽采時(shí)間達(dá)半年以上，抽采后對區(qū)域預(yù)抽煤體進(jìn)行了效果檢驗(yàn)，效果檢驗(yàn)方式為直接測定煤層瓦斯含量，測定結(jié)果均小于8 m3/t.

3 理論上可能造成K1值超限的原因

3.1 煤層瓦斯含量高

K1值的物理意義是煤體脫落暴露于大氣之中解吸第一分鐘內(nèi)，每克煤樣的瓦斯解吸總量，故而煤體瓦斯含量高會(huì)造成K1值較高。

表2 近期掘進(jìn)工作面鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值K1情況表

表3 2#煤集中軌道巷鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

表4 22205軌道巷鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

表5 24104膠帶巷鉆孔(4#煤)設(shè)計(jì)參數(shù)表

表6 北二2#底抽巷鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 鉆屑量及鉆屑粒度因素

K1值測定中，鉆屑量是用有固定容積的量杯來取樣的，要求鉆屑自然裝滿量杯，并用篩子輕輕刮平。但是，在現(xiàn)場操作中，鉆屑量往往偏多或偏少，造成測定K1值的偏大或偏小。另外，在測定中使用的樣品粒度為 1～3 mm鉆屑，是用1 mm和3 mm的組合篩子篩分出的。如果沒有經(jīng)過充分篩分，會(huì)使所用鉆屑中混合有較多小于1 mm的鉆屑，這樣，裝在量杯中的鉆屑量會(huì)比正常情況下偏多，導(dǎo)致測定出的K1值偏大，同時(shí)，由于鉆屑粒度的減小，會(huì)在一定程度上使鉆屑瓦斯解吸速度相對增大，導(dǎo)致測定的K1值偏大。

3.3 儀器氣密性因素

儀器是通過測定煤樣罐中的瓦斯解吸壓力來計(jì)算鉆屑瓦斯解吸量的，當(dāng)密封圈或取壓膠管老化，出現(xiàn)裂紋而又未能及時(shí)更換，或者由于操作不當(dāng)使煤樣罐未蓋緊或膠管連接不緊密時(shí)，煤樣罐的氣密性將會(huì)受到影響，使測定出的K1值嚴(yán)重偏小甚至接近于0. 此外，在儀器測定過程中，人工用手接觸煤樣罐或與主機(jī)連接的取壓膠管，會(huì)使煤樣罐的溫度升高導(dǎo)致罐內(nèi)壓力增加，使測定出的 K1值不同程度偏大。

3.4 儀器充電量因素

為保證正常測定，在測定過程中儀器的電量應(yīng)充足，當(dāng)儀器的欠壓指示燈亮?xí)r，表明電池電量不足，此時(shí)如果繼續(xù)用于測定，則測出的K1值將會(huì)產(chǎn)生很大誤差，一般表現(xiàn)為偏大，而且隨著電量的不足，偏大的幅度將增大，甚至達(dá)到真實(shí)值的一倍以上。另外，由于環(huán)境溫度、氣壓會(huì)影響鉆屑的瓦斯解吸速度，所以環(huán)境參數(shù)的改變也會(huì)對K1值測定結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

3.5 煤層軟分層因素

煤層內(nèi)如有煤質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)和層理嚴(yán)重破壞的軟分層，表現(xiàn)為碎屑狀、磷片狀、糜棱狀、片狀等，往往在其上下底面有滑動(dòng)痕跡，有時(shí)可見包裹體樣，手能輕易掰開，斷面暗淡無光。軟分層因透氣性差，瓦斯含量較高，校檢鉆孔施工在軟分層內(nèi)，也容易造成K1值偏大。

4 該礦K1值超限的原因

對該礦測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值K1所用的試驗(yàn)儀器、試樣進(jìn)行檢查，并進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析，排除操作失誤、儀器等因素，造成該礦K1值超限最主要的原因是客觀條件導(dǎo)致的個(gè)別區(qū)域抽采效果差，進(jìn)而造成該區(qū)域瓦斯含量高。

1) 2#煤集中軌道巷、22205軌道巷，均布置在2#煤層中，2#煤層厚度僅為0.97 m，鉆孔施工過程中易出現(xiàn)軌跡在煤巖中交替穿過的情況，而如果穿巖距離較長，超過鉆孔抽采半徑，則該巖孔對應(yīng)位置煤層瓦斯未得到充分釋放，瓦斯含量依然較高。這是造成K1值超限的重要原因。

2) 北二2#底抽巷6#煤層位于巷道頂部，開口距底板高度1.1 m，厚400～600 mm，此處頂部裂隙發(fā)育，頂板有裂隙水涌出，部分孔段孔內(nèi)積水導(dǎo)致抽采效果不均勻，個(gè)別孔段瓦斯含量依然較高，造成K1值超限。

3) 24104膠帶巷3#煤厚度1.3 m，夾矸厚度1 m，4#煤1.7 m. 采取的本煤層鉆孔施工均施工在4#分層，因矸石透氣性差，4#煤內(nèi)的抽采鉆孔對3#煤層抽采效果差，3#煤內(nèi)瓦斯含量依然較高，造成施工在3#煤中的驗(yàn)證孔K1值偏高。

5 采取的治理措施

根據(jù)上述分析，采取以下措施防止瓦斯超限：

1) 針對2#煤集中軌道巷、22205軌道巷K1值超限情況，延長抽采時(shí)間，分析鉆孔軌跡，根據(jù)抽采半徑對超過抽采半徑2倍的穿巖孔段補(bǔ)打抽采鉆孔，單獨(dú)加設(shè)計(jì)量裝置，統(tǒng)計(jì)預(yù)抽單元內(nèi)的預(yù)抽率，并采用測定瓦斯含量的方法進(jìn)行了區(qū)域效果檢驗(yàn)。

2) 針對24104膠帶巷K1值超限情況，在現(xiàn)場增設(shè)自動(dòng)放水器，改善抽采管路內(nèi)積水的現(xiàn)象，全天抽采負(fù)壓不中斷，確保抽采效果最佳化，同時(shí)變更鉆孔設(shè)計(jì)，施工上向鉆孔，避免孔內(nèi)積水對抽采效果的影響。

3) 針對北二2#底抽巷K1值超限情況，在現(xiàn)場更換定向鉆機(jī)，對夾矸上下的3#、4#煤層分別施工抽采鉆孔。共設(shè)計(jì)11個(gè)鉆孔，分兩排布置，下排鉆孔距底板0.8 m，上排鉆孔距下排鉆孔2 m，上排鉆孔孔間距均為0.8 m，下排鉆孔孔間距均為1 m，1#、2#、3#、4#、5#、6#鉆孔為3#煤層預(yù)抽孔，7#、8#、9#、10#、11#鉆孔為4#煤鉆孔。鉆孔布置示意圖及參數(shù)見圖1. 本次鉆孔由ZYG-150型鉆機(jī)施工，孔深100 m，孔徑為80 mm，封孔、擴(kuò)孔長度為6 m，封孔采用50 mm聚乙烯管，聚氨酯封孔，與主管路連接采用埋線管，主管路三通處安設(shè)孔板流量計(jì)、閥門及放水器，以便抽放觀測記錄、調(diào)整抽放參數(shù)和放水。

圖1 鉆孔布置示意圖

采取以上措施后，該礦上述地點(diǎn)再未發(fā)生K1值超限的情況。

6 結(jié) 語

沙曲礦采用鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)值作為突出危險(xiǎn)性預(yù)測指標(biāo)，近期發(fā)生4次指標(biāo)超限，排除測定過程、儀器等因素后，采取了延長抽采時(shí)間、增設(shè)自動(dòng)換水器、更換定鉆機(jī)等措施防止瓦斯超限，效果良好，未再出現(xiàn)K1值超限情況。采用鉆孔抽采瓦斯時(shí)要注意鉆孔設(shè)計(jì)不但要橫向涵蓋整個(gè)區(qū)域預(yù)抽控制范圍，還要考慮到煤層具體情況及鉆孔軌跡對于抽采效果的影響。有較厚不透氣夾矸存在的煤層，鉆孔軌跡要分別穿透夾矸上下煤層，以保證對整個(gè)區(qū)域的瓦斯抽采。