煤礦綜掘工作面防突預(yù)測(cè)與治理措施研究

張杰斌

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電屯蘭煤礦，山西 太原 030052）

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，井下巷道的掘進(jìn)作業(yè)對(duì)周邊巖層的應(yīng)力分布造成較大擾動(dòng)，各部分應(yīng)力重新分布。同時(shí)，煤層和巖層中的瓦斯壓力也受到較大影響。當(dāng)出現(xiàn)瓦斯高密度集中時(shí)，在高地應(yīng)力持續(xù)作用下甚至出現(xiàn)瓦斯和煤突出，瞬間噴射出的煤塵和瓦斯形成的沖擊作用將嚴(yán)重破壞煤層和巷道結(jié)構(gòu)。另外，瓦斯集中區(qū)的應(yīng)力釋放后，瓦斯的吸附率急劇降低，周邊煤層和巖層內(nèi)的瓦斯也大量噴出，從而加速了工作面瓦斯?jié)舛鹊纳咚俣?，?yán)重威脅井下設(shè)備和人員安全[1-3]。因此，對(duì)于突出高風(fēng)險(xiǎn)礦井，防突工作是煤炭采掘管理的重中之重。

防突工作包含突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、防突治理措施、治理效果檢驗(yàn)、防突安全管理等一系列內(nèi)容。為提高防突管理成效，促進(jìn)綜掘工作高效、安全進(jìn)行，本文將結(jié)合屯蘭礦12508 綜掘工作面實(shí)際情況，對(duì)以上環(huán)節(jié)的實(shí)施方法和注意事項(xiàng)進(jìn)行探討。

1 地質(zhì)概況

12508 工作面位于屯蘭礦南五盤(pán)區(qū)右翼，東鄰12510 工作面，南接南五膠帶巷，西為12506 工作面（未施工），北為12303 采空區(qū)。工作面地面標(biāo)高1105～1216m，蓋山厚度450～549m，區(qū)域地表以山地地形為主，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫。經(jīng)對(duì)地表調(diào)查走訪，區(qū)內(nèi)大部被黃土覆蓋，未發(fā)現(xiàn)低洼處積水，地表大南溝為季節(jié)性溝谷。

屯蘭礦為煤與瓦斯突出礦井，2019 年的礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為262.4m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為46.4m3/t。12508 工作面所采2#煤層最大厚度3.2m，最小2.9m，煤層最大傾角7°，最小傾角2°，煤層普氏硬度0.57，煤層節(jié)理發(fā)育。根據(jù)2012 年重慶煤科院提供的《屯蘭礦2#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》可知，2#煤層煤的破壞類(lèi)型為Ⅳ類(lèi)，瓦斯放散初速度指標(biāo)ΔP 為15，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f 為0.34，原始瓦斯壓力為2.2 MPa，瓦斯含量為9～11.8 m3/t，因此2#煤層鑒定為突出煤層。本文所研究12508 工作面屬于煤與瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)，因此采用了施工順層走向長(zhǎng)鉆孔的區(qū)域措施對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。為進(jìn)一步降低煤層瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)，在預(yù)抽基礎(chǔ)上，綜掘工作面還采用了“邊掘邊抽”的工作面防突治理措施，本文將重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行研究。

2 瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

2.1 測(cè)定方法及指標(biāo)

工作面巷道掘進(jìn)期間，為有效制定防突措施，首先應(yīng)對(duì)煤和瓦斯的突出風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)12508 工作面的實(shí)際情況，適宜采用技術(shù)較為成熟的鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法進(jìn)行檢測(cè)。該方法的主要預(yù)測(cè)指標(biāo)包括瓦斯解吸指標(biāo)K1和鉆粉量S，具體如表1 所示。另外，在判斷無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，除特征指標(biāo)不超限外，還應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足在檢測(cè)鉆孔過(guò)程中無(wú)噴孔和其他明顯突出征兆。

表1 鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法突出風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值對(duì)照表

2.2 預(yù)測(cè)孔設(shè)計(jì)

鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法的關(guān)鍵是預(yù)測(cè)孔的設(shè)計(jì)。根據(jù)12508 工作面掘進(jìn)巷道的斷面尺寸，最終確定在巷道斷面上鉆3 處直徑42mm 的預(yù)測(cè)孔，如圖1所示?？咨疃燃s10m（遇水、夾矸、構(gòu)造、陷落柱、煤體太硬等情況時(shí)，孔深以實(shí)際施工情況為準(zhǔn)，但掘進(jìn)時(shí)必須保留2m 的預(yù)測(cè)超前距），鉆孔傾角按當(dāng)前位置煤層傾角。2#鉆孔位于掘進(jìn)巷道斷面中部，其余兩孔與斷面中線夾角呈72°，鉆孔終點(diǎn)應(yīng)在巷道寬度兩側(cè)外2～4m 范圍內(nèi)。如當(dāng)前煤層存在軟分層，則應(yīng)盡量將預(yù)測(cè)孔布置在軟分層中。

巷道掘進(jìn)2m 后，可開(kāi)始進(jìn)行鉆孔探測(cè)。鉆孔時(shí)，每前進(jìn)1m，利用管型測(cè)力計(jì)對(duì)該區(qū)段內(nèi)的全部鉆屑量S 進(jìn)行一次測(cè)量。鉆孔每前進(jìn)2m，利用WTC瓦斯突出參數(shù)儀對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1進(jìn)行一次測(cè)量。

經(jīng)探測(cè)，12508 工作面巷道煤體的K1值和S 值分別為0.85mL/（g·min1/2）和9.4kg/m，均已超過(guò)表1“有突出危險(xiǎn)”標(biāo)準(zhǔn)。因此判定當(dāng)前工作面有突出風(fēng)險(xiǎn)，必須采取相應(yīng)防突措施，以釋放煤體中的瓦斯壓力。

圖1 巷道斷面預(yù)測(cè)孔設(shè)計(jì)

3 工作面防突治理措施

3.1 防突治理措施選擇

對(duì)于綜掘工作面的瓦斯突出治理，常見(jiàn)局部防突措施包括超前排放鉆孔、深孔松動(dòng)爆破、水力沖孔等。針對(duì)所開(kāi)采2#煤層的地質(zhì)特點(diǎn)，適宜采用超前排放鉆孔作為煤巷掘進(jìn)工作面防突措施。該方法是在保證一定的超前距前提下（一般5m 以上），從掘進(jìn)工作面順煤層傾向向前方煤體內(nèi)施工一定數(shù)量和深度的鉆孔，從而使煤層中積聚的瓦斯氣體從孔中自然排出，以釋放煤層瓦斯壓力，起到防突效果。

3.2 超前排放鉆孔設(shè)計(jì)

為防止鉆孔直徑過(guò)大造成巖層構(gòu)造破壞，在工作面第一次執(zhí)行超前排放鉆孔時(shí)，鉆孔直徑選用規(guī)格偏小的42mm 孔，當(dāng)在掘進(jìn)工作面前方形成深度超過(guò)5m 的安全屏障后，再改用直徑75mm 的鉆孔規(guī)格，然后以此進(jìn)行正常防突措施循環(huán)。需注意，在經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造破壞帶時(shí)，仍需采用直徑42mm 鉆孔，直至通過(guò)該區(qū)域。

超前排放鉆孔的數(shù)量、孔間距、孔深等應(yīng)根據(jù)有效作用半徑確定，但是，需確保鉆孔超前于掘進(jìn)工作面的距離大于5m，過(guò)地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)域時(shí)至少保留7m，鉆孔傾角為當(dāng)前煤層傾角。如圖2 所示，12508 工作面掘進(jìn)巷道的超前排放鉆孔共2 排，21 個(gè)孔，孔底間距1m，鉆孔終點(diǎn)控制在巷道兩側(cè)輪廓線外5m 位置。

3.3 其他措施要求

（1）超前排放鉆孔施工完畢后，必須保證其在自然狀態(tài)下的排放時(shí)間大于8h；

（2）如工作面有軟分層時(shí)，應(yīng)根據(jù)軟分層分布情況在軟分層中增加鉆孔；

（3）當(dāng)探測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前煤層周邊的地質(zhì)狀況發(fā)生較大改變時(shí)，應(yīng)立即停止施工，并探明狀況，然后對(duì)超前排放鉆孔的施工方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

圖2 工作面防突超前排放鉆孔設(shè)計(jì)

4 防突措施效果檢驗(yàn)

4.1 檢驗(yàn)方法

工作面防突措施實(shí)施后，必須進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)。根據(jù)一致性原則，其檢驗(yàn)方法（包括突出危險(xiǎn)的指標(biāo)值）與工作面突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法完全相同，但為防止超前排放鉆孔對(duì)檢驗(yàn)效果的影響，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離周邊的超前排放鉆孔，或者與當(dāng)前的超前排放鉆孔孔距一致。在經(jīng)過(guò)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)段時(shí)，需在不同地質(zhì)層面增加檢驗(yàn)孔。

當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示工作面仍有瓦斯突出危險(xiǎn)時(shí)，必須采取其他防突治理措施，例如增加小鉆孔等，再次檢測(cè)當(dāng)前措施效果，直至消除突出危險(xiǎn)。對(duì)于經(jīng)檢測(cè)已消除突出危險(xiǎn)的工作面，則應(yīng)遵守其他防突安全規(guī)程，然后進(jìn)行正式掘進(jìn)作業(yè)。另外，為保證掘進(jìn)安全，掘進(jìn)進(jìn)尺量應(yīng)保證留有至少5m 投影長(zhǎng)度的超前排放孔超前距，和至少2m 投影長(zhǎng)度的檢驗(yàn)孔超前距。對(duì)于構(gòu)造破壞嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)增大超前距數(shù)值。

4.2 措施效果分析

在12508 工作面巷道煤體中實(shí)施上述防突措施后，經(jīng)8h 自然排放，然后進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)，測(cè)得的K1值和S 值分別降低至0.33mL/（g·min1/2）和4.1kg/m，均低于表1 的“無(wú)突出危險(xiǎn)”參數(shù)值?？梢?jiàn)當(dāng)前的超前排放鉆孔設(shè)計(jì)及相關(guān)措施已消除工作面的瓦斯突出危險(xiǎn)，工作面巷道已具備綜掘條件。

5 防突安全管理措施

（1）設(shè)置防突反向風(fēng)門(mén)。為防止發(fā)生瓦斯突出時(shí)影響進(jìn)風(fēng)和其他巷道安全，必須在掘進(jìn)工作面的進(jìn)風(fēng)一側(cè)，布置兩道可在瓦斯突出時(shí)自動(dòng)關(guān)閉的反向風(fēng)門(mén)，保證兩門(mén)間距在4m 以上，且風(fēng)門(mén)到工作面回風(fēng)巷的距離也應(yīng)大于10m。在巖巷施工反向風(fēng)門(mén)時(shí)，需保證墻垛嵌入巖體內(nèi)部至少0.2m，墻體厚度大于0.8m；在煤巷施工反向風(fēng)門(mén)時(shí)，周邊煤墻必須先挖槽直至硬度較高的幫底，且嵌入深度大于0.5m。另外，從風(fēng)門(mén)經(jīng)過(guò)的水、風(fēng)、運(yùn)輸機(jī)等通道，在通道口需設(shè)置逆向隔斷裝置。通過(guò)以上措施，可有效限制瓦斯突出的影響范圍。

（2）設(shè)置永久和臨時(shí)避難硐室。當(dāng)發(fā)生煤與瓦斯突出后，如因特殊原因不能沿避災(zāi)路線撤離時(shí)，應(yīng)先撤至永久避難硐室，等待救援。另外，巷道每隔500m 設(shè)置1 處臨時(shí)避難硐室，室內(nèi)深度滿(mǎn)足擴(kuò)散通風(fēng)的要求，至少能滿(mǎn)足15 人避難。臨時(shí)避難硐室在構(gòu)筑時(shí)，一方面，應(yīng)保證其支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且可與外界電話聯(lián)絡(luò)；另一方面，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的最大避難人數(shù)，預(yù)先儲(chǔ)存可滿(mǎn)足一定時(shí)間使用的隔離式自救器、空氣供給系統(tǒng)和飲用水等[4-6]。

（3）設(shè)置壓風(fēng)自救系統(tǒng)。需在距離有突出風(fēng)險(xiǎn)工作面的一定范圍內(nèi)設(shè)置多組壓風(fēng)自救系統(tǒng)。另外，需在有突出風(fēng)險(xiǎn)巷道的皮帶機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等有人操作設(shè)備旁設(shè)置壓風(fēng)自救系統(tǒng)。單組系統(tǒng)應(yīng)能同時(shí)滿(mǎn)足六人使用，且每人的壓縮空氣供給量大于0.1m3/min。

6 結(jié)論

以屯蘭礦12508 綜掘工作面為例，針對(duì)高瓦斯綜掘工作面的防突治理和管理問(wèn)題，根據(jù)掘進(jìn)工作面的地質(zhì)概況，研究提出了工作面突出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法和具體防突治理措施并組織實(shí)施，對(duì)防突治理實(shí)際效果進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明12508 工作面采用超前排放鉆孔治理瓦斯的措施可消除工作面瓦斯突出危險(xiǎn)。同時(shí)，為加強(qiáng)防突管理和事故預(yù)防，還采取了防突安全管理的若干措施。