基于精細化預(yù)測的弱突出煤層動態(tài)防突技術(shù)

程 廣

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是深部礦井的主要災(zāi)害之一，煤與瓦斯突出過程中快速噴出的大量瓦斯和煤體會對設(shè)備和工作人員造成沖擊破壞，同時涌出的大量瓦斯極易引發(fā)瓦斯爆炸事故，擴大災(zāi)害損失[1-4]。煤與瓦斯突出危險性預(yù)測是科學(xué)合理制訂針對性防突措施的基礎(chǔ)，其涉及到執(zhí)行防突措施的范圍和工作量，是防突技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。在高瓦斯礦井向突出礦井升級過程中，煤層內(nèi)的高瓦斯區(qū)域與突出區(qū)域會存在弱突出區(qū)域。弱突出煤層的突出危險性預(yù)測普遍存在2個方面的問題：①突出區(qū)域占突出煤層的總面積雖小，但突出區(qū)域的分布具有隱蔽性、隨機性、不確定性、小區(qū)域性等特點，如已預(yù)測為無突出危險的區(qū)域，在遇到了構(gòu)造、瓦斯賦存變化、煤層賦存變化等情況時也極有可能發(fā)生突出[6-8]，但采用傳統(tǒng)的區(qū)域預(yù)測方法較難發(fā)現(xiàn)這些隱伏區(qū)域；②有些礦井的開拓條件由于不能滿足《防治煤與瓦斯突出細則》[9]中關(guān)于區(qū)域預(yù)測布點的要求，而無法進行區(qū)域預(yù)測，致使該區(qū)域必須按照突出危險區(qū)域采取相應(yīng)的措施。造成了弱突出煤層防突措施實施的盲目性、防突工程浪費性，在生產(chǎn)中存在有較大的安全生產(chǎn)隱患。目前學(xué)者們針對煤層突出危險性區(qū)域預(yù)測的研究主要集中在如下 3個方面：一是區(qū)域預(yù)測指標的敏感性和臨界值的研究[10-12]；二是針對特殊區(qū)域的突出危險性預(yù)測，如石門揭煤、井筒揭煤區(qū)域的突出危險性預(yù)測[13-16]；三是煤層區(qū)域突出危險性預(yù)測方法的研究[17-18]。但針對弱突出煤層的精細化、動態(tài)防突技術(shù)的研究鮮有人涉及。

基于弱突出煤層危險性的特點，提出了弱突出煤層動態(tài)、精準防突技術(shù)，旨在解決弱突出煤層的高效防突問題，并在大河邊煤礦開展了現(xiàn)場應(yīng)用研究，實現(xiàn)礦井煤巷安全掘進1 400 m，工作面提前6個月貫通，緩解了礦井采掘接替緊張的局面。

1 礦井概況

大河邊煤礦井田內(nèi)含可采及局部可采煤層 12層，分別為1、4、7、8、11、13上、13下、14、15、16、19、34號煤層，經(jīng)鑒定1、7、11號煤層均具有煤與瓦斯突出危險性。雖然大河邊煤礦7號煤層已經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤層，但已回采區(qū)域的7號煤層實測原始瓦斯含量均不高，很少超過8 m3/t，局部預(yù)測指標K1測定值為0.11～0.32 mL/(g·min1/2)，鉆屑量S值為1.5～2.2 kg/m，很少出現(xiàn)超過臨界值的現(xiàn)象，屬于典型的弱突出煤層。7號煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試結(jié)果如表1所示。

表1 7號煤層工業(yè)分析指標及吸附常數(shù)測試結(jié)果

2 動態(tài)防突技術(shù)

2.1 動態(tài)防突技術(shù)實施工藝

根據(jù)大河邊煤礦7號煤層的賦存及實驗工作面布置情況，首先對回采工作面人為劃分塊段(塊段長度可根據(jù)煤層的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造賦存情況、瓦斯賦存情況、取樣技術(shù)等方面來確定)，塊段長度一般取80～100 m，工作面塊段劃分情況如圖1所示。

圖1 工作面塊段劃分及預(yù)測鉆孔布置示意圖

在煤巷掘進過程中對每一塊段首先進行精細化預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)論制訂針對性的精準防突措施。在煤與瓦斯突出危險性預(yù)測過程中，采用“遞進式”的方法，即首先進行第一塊段的預(yù)測，具體做法是在煤巷端頭施工鉆孔測定煤層瓦斯參數(shù)，按照《防治煤與瓦斯突出細則》中對區(qū)域預(yù)測的有關(guān)規(guī)定，同一地質(zhì)單元內(nèi)沿煤層走向布置測試點不少于2個，沿傾向不少于3個，其鉆孔的布置見圖1。同時將瓦斯參數(shù)測試鉆孔作為超前探測鉆孔，對煤層的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造情況進行超前探測，通過該種方式，可詳細掌握所劃分塊段內(nèi)的煤層賦存情況、瓦斯賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造情況及突出預(yù)兆情況等。根據(jù)所掌握的詳細突出多元信息，對該塊段內(nèi)的煤層突出危險性進行預(yù)測，若預(yù)測結(jié)果為無突出危險性，則無需采取防突措施；若有突出危險性，則對該塊段區(qū)域?qū)嵤╉槍鱼@孔預(yù)抽煤層瓦斯，煤層消突后再開展后續(xù)工作，待該塊段掘進至終掘線后，采用同樣的方式進行第二塊段的防突工作，循序漸進地完成工作面防突工作。

2.2 預(yù)測指標測定結(jié)果

所有循環(huán)段預(yù)測鉆孔的布置,以及預(yù)測指標的測試均采用相似的方法。文中只列出了第四循環(huán)段的預(yù)測指標結(jié)果，并在后續(xù)章節(jié)中以第四循環(huán)段的預(yù)測指標數(shù)據(jù)為典型代表進行煤層突出危險性的綜合分析。選擇煤層瓦斯含量為區(qū)域預(yù)測的指標，測試方法為直接法。此外，為掌握煤層瓦斯壓力的情況，采用朗格繆爾方程對瓦斯壓力進行間接反算[19-20]，計算公式如下：

(1)

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；a、b為瓦斯吸附常數(shù)，計量單位分別為m3/t、MPa-1；p為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；q為孔隙率，%；n為壓力相關(guān)性系數(shù)；ρARD為視密度，t/m3；ts、t為吸附試驗溫度和井下煤層溫度，℃。

預(yù)測指標測試結(jié)果及瓦斯壓力計算結(jié)果見表2。

表2 第四循環(huán)段瓦斯含量及瓦斯壓力測試計算結(jié)果

2.3 預(yù)測結(jié)果綜合分析

基于區(qū)域預(yù)測指標實測結(jié)果、測試鉆孔鉆進情況、已掘段揭露的煤層情況、瓦斯及地質(zhì)賦存情況、預(yù)測范圍埋深變化情況和煤體結(jié)構(gòu)情況的綜合分析，對本循環(huán)段煤層的突出危險性進行判斷。

2.3.1 預(yù)測指標分析

大河邊煤礦310702工作面第四循環(huán)段實測瓦斯含量最大值為6.120 3 m3/t(埋深713.1 m)，未超過《防治煤與瓦斯突出細則》中規(guī)定的瓦斯含量臨界值(8 m3/t)。通過查閱大河邊煤礦采掘工程平面圖、井上下對照圖，本次預(yù)測范圍內(nèi)7號煤層的最大埋深為724.0 m，而本次取樣點的最大埋深為713.1 m，與預(yù)測范圍內(nèi)最大埋深僅相差11.0 m，由于埋深相差很小，瓦斯參數(shù)應(yīng)不會發(fā)生大的變化。此外，通過間接法所計算的瓦斯壓力最大為0.588 1 MPa(相對瓦斯壓力)，也未超過《防治煤與瓦斯突出細則》中瓦斯壓力臨界值(0.74 MPa)。因此，7號煤層第四循環(huán)段內(nèi)為無突出危險區(qū)。

2.3.2 測試鉆孔的鉆進情況分析

在本次測試鉆孔施工過程中未發(fā)生噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆，說明該區(qū)域瓦斯賦存量較少；鉆機鉆進過程中推力較為均衡、鉆進速度較平穩(wěn)，煤體硬度變化不大，鉆進返渣均為煤粉，單位長度返渣量變化較小，且返渣的光澤度、顆粒大小及硬度無明顯變化。表明該區(qū)域內(nèi)應(yīng)無隱伏斷層或褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，煤層賦存較穩(wěn)定，其瓦斯地質(zhì)情況與前三循環(huán)段是一致的，應(yīng)為同一地質(zhì)單元，發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性較小。

2.3.3 埋深情況分析

本次預(yù)測區(qū)域埋深為660.0～724.0 m，埋深變化較小，瓦斯含量測定結(jié)果未出現(xiàn)明顯突變，而已預(yù)測的前三循環(huán)段埋深為698.0～768.0 m，其最大埋深要大于本次預(yù)測范圍埋深，目前前三循環(huán)段均已實現(xiàn)安全掘進，根據(jù)前三循環(huán)已掘段瓦斯地質(zhì)情況，結(jié)合第四循環(huán)段內(nèi)煤層埋深變化情況，可得出7號煤層在第四循環(huán)段發(fā)生突出的可能性較小。

2.3.4 煤體結(jié)構(gòu)分析

通過對本次預(yù)測區(qū)域揭露的7號煤層的勘察，煤層賦存完整性較好，煤層為亮與半亮型煤，有光澤，半亮型為主，煤層平均厚度為2.0 m，少量塊狀及碎塊狀煤，斷口比較平滑，用手可掰成塊狀。煤體破壞程度較低，應(yīng)為Ⅱ類煤[21]。另外，7號煤層煤體較為堅硬，抵抗煤與瓦斯突出的能力較強，同時從前探鉆孔來看，未探測到有構(gòu)造存在，也就說明了前方煤體未存在構(gòu)造煤或煤層變軟的情況。因此，從煤層整體結(jié)構(gòu)分析，7號煤層在第四循環(huán)段發(fā)生突出的可能性較小。

綜上所述，通過對區(qū)域預(yù)測指標實測結(jié)果的分析，并結(jié)合對測試鉆孔的鉆進情況、已掘段揭露的煤層、瓦斯及地質(zhì)賦存情況、預(yù)測范圍埋深變化情況和煤體結(jié)構(gòu)情況的綜合分析，可以得出：7號煤層第四循環(huán)段為無突出危險區(qū)。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

該技術(shù)方案已在大河邊煤礦310702運輸巷掘進工作面實施了20個小區(qū)域突出危險性預(yù)測循環(huán)，預(yù)測結(jié)果均無突出危險，所有預(yù)測循環(huán)均未采取瓦斯抽采措施，實現(xiàn)了煤巷安全掘進1 400 m和整個工作面的安全回采。據(jù)水城礦業(yè)股份有限公司通風(fēng)部統(tǒng)計，與原設(shè)計采用的工作面中間腰巷“遞進式”進行煤層瓦斯預(yù)抽的防突措施相比，采取動態(tài)防突措施后，大河邊煤礦310702工作面(走向長度1 400 m)無需施工中間腰巷，可節(jié)省腰巷工程量1 400 m；同時，根據(jù)實測瓦斯參數(shù)，所有循環(huán)無需采取瓦斯抽采措施，減少鉆孔工程量3.5萬m，共節(jié)省瓦斯災(zāi)害治理費用約1 090萬元，工作面比原計劃提前6個月回采完畢，經(jīng)濟效益明顯。

3 結(jié)論

1)根據(jù)弱突出煤層的突出危險性的特點，提出了一種基于精細化預(yù)測的動態(tài)、高效防突成套技術(shù)，旨在解決弱突出煤層的高效防突問題。該技術(shù)不僅節(jié)約了大量的防突成本，而且節(jié)省了煤與瓦斯突出災(zāi)害防治時間，緩解了礦井的采掘接替緊張的局面。

2)在現(xiàn)場開展了試驗，綜合實測預(yù)測指標結(jié)果、測試鉆孔鉆進情況、埋深情況及煤體結(jié)構(gòu)等，對預(yù)測區(qū)域的煤層進行了突出危險性分析，得出7號煤層第四循環(huán)段為非突出區(qū)。

3)現(xiàn)場應(yīng)用表明，該技術(shù)有效解決了弱突出煤層的高效防突問題，實現(xiàn)了煤巷安全掘進1 400 m和工作面的安全回采，期間未發(fā)生任何突出災(zāi)害，僅節(jié)省瓦斯治理費用就達1 090萬元。