突出煤層分叉上鄰近層瓦斯涌出防治技術(shù)探討

甘志軍，肖祖林

（1.豐城市應(yīng)急管理局，江西 豐城 331100；2.江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司尚莊煤礦，江西 豐城 331143）

江西煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司尚莊煤礦1968年10月投產(chǎn)，2020年核定生產(chǎn)能力0.40 Mt/a，為煤與瓦斯突出礦井，開采單一B4突出煤層，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-650 m 水平。礦井西翼B4煤層分叉為B4a煤層和B4b煤層。尚莊煤礦西Ⅰ下山采區(qū)390工作面設(shè)計(jì)開采下分層B4a煤層，采用底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，經(jīng)檢驗(yàn)390 工作面B4a煤層區(qū)域防突措施有效。

390 工作面上覆的B4b煤層（平均厚度0.6 m、平均間距9.3 m）未采取區(qū)域綜合防突措施，在切眼掘進(jìn)過程中因支護(hù)不及時(shí)頂板發(fā)生垮冒，導(dǎo)通B4b煤層而造成瓦斯超限事故。在390 工作面開采過程中，上覆間距較小的B4b煤層卸壓瓦斯受回采工作面通風(fēng)負(fù)壓的影響，瓦斯會(huì)大量流向采空區(qū)、工作面回風(fēng)隅角，回采過程中易受到瓦斯威脅。為確保390 工作面的安全開采，采取合理的措施預(yù)防開采過程中上鄰近B4b煤層瓦斯異常涌出非常有必要。

1 390 工作面瓦斯地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)條件

390 工作面東側(cè)為西Ⅰ運(yùn)輸、軌道、回風(fēng)下山，北側(cè)為388 工作面采空區(qū)，西側(cè)、南側(cè)均為原始煤體，工作面采掘工程平面見圖1。390 工作面B4煤層分叉為B4a和B4b兩層，工作面開采B4a煤層，工作面范圍內(nèi)B4a煤層厚度0.8～1.6 m，平均煤厚1.1 m，煤層相對(duì)穩(wěn)定，B4b煤層厚度0.3～1.0 m，平均厚度0.6 m；煤層傾角18°～23°，平均傾角20°；B4a煤層與上覆B4b煤層層間距為7.0～11.5 m，平均9.3 m，且由東向西逐漸增厚；工作面可采走向長度為369 m，傾向平均寬度為150 m，可采儲(chǔ)量0.083 Mt。采用走向長壁后退式采煤法，爆破采煤工藝，DW18-30/100 型單體液壓支柱與DJB1200 型金屬鉸接梁支護(hù)，一次采全高，采高控制在1.3～1.6 m，全部垮落法管理頂板。

圖1 390 工作面平面布置

390 工作面B4煤層老頂為細(xì)砂巖，厚7.2 m左右；直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚7～11.5 m；偽底為炭質(zhì)頁巖，厚0.4 m；直接底為細(xì)粉砂巖，厚5.1 m左右；老底為細(xì)粉砂巖，厚24.5 m。

在390 工作面兩道及切眼巷道施工過程中，共揭露了5 條正斷層，其落差在0.6～1.5 m 之間，其中的F390-5斷層斜交于風(fēng)巷與切眼之間，落差在1.5 m 左右，對(duì)工作面回采影響較大。

1.2 瓦斯賦存情況

390 工作面B4a煤層在標(biāo)高-690.8～-732.6 m范圍內(nèi)采用直接法測(cè)定瓦斯含量為7.64～15.30 m3/t，最大瓦斯壓力為2.6 MPa（標(biāo)高-732.6 m），瓦斯放散初速度ΔP 值13，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.30，煤層透氣性系數(shù)為0.007 092 m2/MPa2·d[1]。

390 工作面B4a煤層采取穿層鉆孔（間排距3 m×3 m）預(yù)抽煤巷條帶及順層鉆孔（間距3 m）預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯區(qū)域防突措施，抽采時(shí)間大于90 d，定點(diǎn)取樣測(cè)定煤層殘余瓦斯含量為3.47～4.63 m3/t，均小于臨界值6.4 m3/t，且效果檢驗(yàn)過程中無噴孔、頂鉆等異常情況，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，區(qū)域防突措施有效。

2 B4b煤層突出危險(xiǎn)性評(píng)估

尚莊煤礦B4煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為突出煤層。礦井已發(fā)生突出63 次，累計(jì)突出煤量5 808 t，最大突出強(qiáng)度895 t/次，平均突出強(qiáng)度92.2 t/次，始突深度為-283 m。B4煤層上、下分層煤質(zhì)特征基本一致，均為低（中）灰分、中揮發(fā)分、中（高）硫分、特高發(fā)熱量貧瘦煤，因此，原始狀態(tài)下的B4b煤層突出危險(xiǎn)性大。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，中厚煤層單層開采、中硬巖層、垮落法管理頂板，計(jì)算得390 工作面B4a煤層回采時(shí)覆巖垮落帶理論高度為5.9 m、最小裂縫帶理論高度為14.9 m，B4a煤層與上覆B4b煤層平均間距為9.3 m，可知B4b煤層位于390 工作面采空區(qū)裂縫帶范圍內(nèi)。

《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》 第六十四條規(guī)定，對(duì)距本煤層法向距離小于5 m 的平均厚度大于0.3 m 的鄰近突出煤層，預(yù)抽鉆孔控制范圍與本煤層相同。390 工作面范圍內(nèi)風(fēng)巷、順槽、切眼控制區(qū)域B4a煤層與上覆B4b煤層間距為7.1～11.5 m，其正常賦存區(qū)域最小間距大于5 m。同時(shí)，390 工作面范圍內(nèi)B4a煤層與上覆B4b煤層之間賦存有淺～深灰色泥質(zhì)粉砂巖，賦存完整穩(wěn)定。因此，390工作面B4a煤層正常賦存區(qū)域開采不受B4b煤層突出危險(xiǎn)性影響。另外，390 工作面共揭露了5 條正斷層，其落差在0.6～1.5 m 之間，在斷層影響下B4a、B4b煤層層間距將減小，但錯(cuò)動(dòng)后層間距仍大于5 m。因此，390 工作面斷層附近局部區(qū)域開采受B4b煤層突出危險(xiǎn)性影響較小。390 工作面切眼地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 390 工作面切眼地質(zhì)剖面

3 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

390 工作面回采期間瓦斯涌出量包括開采層（B4a煤層）和鄰近層（B4b煤層）瓦斯涌出量之和。根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》附錄A 計(jì)算開采層和鄰近層瓦斯涌出量[2-4]。

（1）開采層相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

式中：q1為開采煤層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.3；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，回采率取97%，則K2=1/0.97=1.03；K3為采區(qū)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù)，經(jīng)計(jì)算取0.83；m 為開采層厚度，平均取1.1 m；M 為工作面采高，取1.3 m；Wc為殘存瓦斯含量，2.06 m3/t；W0為煤層瓦斯含量，根據(jù)區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)最大殘余瓦斯含量為4.63 m3/t。

經(jīng)計(jì)算得出390 工作面開采層預(yù)抽后瓦斯相對(duì)涌出量為2.42 m3/t。

（2）鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

式中：q2為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i 個(gè)鄰近層煤層厚度，B4b煤層平均煤厚0.6 m；ηi為第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》[2]附錄D，B4b煤層取90%；W0i為第i 個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，取15.3 m3/t；Wci為第i 個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，取2.06 m3/t。

將數(shù)據(jù)代入（2）式，得出390 工作面鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量為5.5 m3/t。

綜上所述，預(yù)測(cè)得出390 工作面回采過程中相對(duì)瓦斯涌出量為7.92 m3/t。

（3）390 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

390 工作面斜長150 m，平均煤厚1.1 m，日推進(jìn)最大2 m，煤的容重1.37 t/m3，計(jì)算得工作面日產(chǎn)量最大452 t，則工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為2.48 m3/min。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》、《抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》相關(guān)規(guī)定要求，工作面風(fēng)速不得超過4 m/s，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.6%。為了確保工作面安全回采，工作面配風(fēng)量825～900 m3/min，設(shè)置回風(fēng)流濃度預(yù)警值為0.9%，根據(jù)礦井實(shí)際情況瓦斯涌出不均衡系數(shù)取1.8，則工作面風(fēng)排瓦斯量為4.13 m3/min，通風(fēng)能滿足排放瓦斯的要求。

瓦斯相對(duì)涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表明，390 工作面回采過程中開采層B4a煤層、鄰近層B4b煤層的相對(duì)瓦斯涌出量分別為2.42 m3/t、5.50 m3/t，占比分別為30.6%、69.4%?？梢?，390 工作面回采期間，鄰近層B4b煤層瓦斯對(duì)工作面回采影響較大，應(yīng)當(dāng)采取有效的鄰近層瓦斯涌出治理措施。

4 鄰近層瓦斯涌出治理措施及效果

為防止B4b煤層對(duì)390 工作面回采產(chǎn)生突出威脅，在390 工作面回采期間，采用鉆孔循環(huán)探測(cè)方法，探測(cè)工作面前方40 m 范圍內(nèi)的煤層層間距及構(gòu)造賦存情況[5]，對(duì)構(gòu)造區(qū)域采取強(qiáng)化支護(hù)方案，當(dāng)工作面與B4b煤層層間距小于5 m 時(shí)，補(bǔ)充B4b煤層消突措施。同時(shí)，采用高抽巷抽采B4a煤層、B4b煤層卸壓瓦斯，防止回采過程鄰近層瓦斯大量涌出和工作面回風(fēng)隅角瓦斯超限。

4.1 煤層賦存及構(gòu)造探測(cè)

在距離3901 風(fēng)巷間隔40 m 布置3 條測(cè)線，測(cè)線上每個(gè)循環(huán)分別布置1#、2#、3#共3 個(gè)探測(cè)孔，1#探測(cè)孔垂直工作面頂板施工，2#、3#探測(cè)孔沿著工作面回采方向施工，分別控制回采前方17 m、45 m 范圍煤巖結(jié)構(gòu)及構(gòu)造賦存情況，并要求穿透B4b煤層頂板1 m。探測(cè)孔布置剖面見圖3。

圖3 390 工作面探測(cè)孔布置

390 工作面自2020年11月29日開采至2021年5月底，共進(jìn)行了5 個(gè)循環(huán)探測(cè)，探測(cè)工作面與B4b煤層最小層間距為9.5～10.3 m，均大于5 m，不采取補(bǔ)充B4b煤層消突措施。

4.2 構(gòu)造區(qū)域加強(qiáng)支護(hù)要求

構(gòu)造區(qū)加強(qiáng)支護(hù)，一方面可以預(yù)防漏冒誘發(fā)上鄰近層煤與瓦斯突出，另一方面能夠防止冒落通道的異常瓦斯涌出，390 工作面煤層賦存及構(gòu)造異常區(qū)的加強(qiáng)支護(hù)要求如下：

（1）過斷層、構(gòu)造帶等特殊地段，π 型梁要求“一梁四柱”，并要求使用好戧棚和戧柱進(jìn)行支護(hù)，架設(shè)好戧棚加固，要求“一梁三柱”。

（2）根據(jù)工作面內(nèi)揭露斷層的產(chǎn)狀以及工作面的方位，合理安排工作面斜交過斷層，并根據(jù)斷層的性質(zhì)，采用挑頂或抄底的方法過斷層。

（3）確保單體液壓支柱初撐力不小于11.4 MPa。工作面要及時(shí)補(bǔ)充單體，備足扁木、板皮、網(wǎng)等背幫護(hù)頂材料。

（4）斷層上、下10 m 范圍內(nèi)要控制采高，嚴(yán)禁留頂煤。嚴(yán)格執(zhí)行“多打眼、少裝藥、放小炮”的原則過斷層。

4.3 高抽巷卸壓瓦斯抽采及效果分析

根據(jù)390 工作面B4a煤層瓦斯地質(zhì)條件，390高抽巷布置在B4a煤層頂板上方15～18 m 的巖層中，距離回風(fēng)巷水平距離約25 m 左右，390 高抽巷卸壓瓦斯抽采見圖4。管路接好后，高抽巷外口砌筑封閉墻，抽采管路接入地面永久抽采系統(tǒng)。

圖4 390高抽巷卸壓瓦斯抽采

390 工作面從投產(chǎn)至2021年5月底已沿走向安全回采220 m。高抽巷抽采瓦斯?jié)舛葹?%～11%，純量為1.22～4.1 m3/min，累計(jì)抽采純量55.6 萬m3。根據(jù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨著工作面的推進(jìn)，回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在的0.5%左右，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺３衷?.1%～0.38%之間。390 工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 390 工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1）390 工作面現(xiàn)有構(gòu)造探測(cè)結(jié)果顯示，斷層落差0.6～1.5 m，錯(cuò)動(dòng)后煤層層間距仍大于5 m，其B4a煤層開采受B4b煤層突出危險(xiǎn)性影響較小。

2）相對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果得知，390 工作面69.4%的瓦斯涌出來源于鄰近B4b煤層，表明390工作面回采期間鄰近層B4b煤層瓦斯對(duì)工作面回采影響較大。

3）采用高抽巷抽采小間距上鄰近層卸壓瓦斯效果顯著，390 工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺３衷?.1%～0.38%之間，保證了工作面安全生產(chǎn)。