毛家莊煤礦高瓦斯掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)研究

李潤(rùn)芝

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

近年來，隨著煤礦開采深度加深和開采強(qiáng)度的加大，礦井瓦斯問題已成為影響礦井安全生產(chǎn)的主要因素[1，2]。在高瓦斯巷道的掘進(jìn)過程中，瓦斯?jié)舛阮l頻超限，僅靠通風(fēng)方式難以降低掘進(jìn)工作面的瓦斯?jié)舛龋仨毑扇『侠淼耐咚狗乐未胧?，確保掘進(jìn)工作面安全、高效、快速施工。

目前，對(duì)于突出煤層巷道掘進(jìn)期間必須采取兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，否則嚴(yán)禁采掘活動(dòng)[5-7]。然而，對(duì)于高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面并沒有一個(gè)明確規(guī)定。向真才等[8-15]學(xué)者通過收集整理現(xiàn)場(chǎng)高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面煤巷瓦斯治理方法，提出了高瓦斯礦井煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯分級(jí)治理方法，為井下掘進(jìn)巷道的安全、高效作業(yè)提供技術(shù)保障；石增柱等[16，17]學(xué)者從多角度分析瓦斯的來源，在不影響施工進(jìn)度和降低投資成本的情況下，采用了增加工作面風(fēng)量、在工作面迎頭施工瓦斯鉆孔泄放、提高掘進(jìn)工藝等綜合瓦斯治理措施，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，瓦斯治理卓有成效，為高瓦斯長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面的瓦斯治理提供了新的解決思路。筆者以毛家莊煤礦為研究對(duì)象，基于毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)方案，構(gòu)建高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面的瓦斯防治技術(shù)體系，以期保證高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面安全有序施工，確定礦井均衡穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 工程概況

毛家莊煤礦為生產(chǎn)能力1.20 Mt/a的高瓦斯礦井。8201運(yùn)輸巷為礦井二采區(qū)的首采工作面進(jìn)風(fēng)巷，該巷道位于礦井8號(hào)煤層最深部，并直接與突出礦井沙曲煤礦相鄰，8201工作面布置如圖1所示。瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果表明：毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量4.63m3/min。

圖1 毛家莊煤礦8201工作面布置

2 高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面瓦斯防治體系

依照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》，突出煤層掘進(jìn)工作面必須遵循兩個(gè)“四位一體”綜合防突措施，方可展開巷道掘進(jìn)作業(yè)。高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面不同于突出礦井掘進(jìn)工作面?；谕怀雒簩泳蜻M(jìn)期間瓦斯管理措施及《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)要求，構(gòu)建高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面瓦斯防治體系，如圖2所示。

圖2 高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)

3 高瓦斯礦井掘進(jìn)工作面瓦斯防治體系應(yīng)用

以毛家莊煤礦8201運(yùn)輸巷為例，對(duì)掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)體系進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯防治體系的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 8201運(yùn)輸巷瓦斯防治技術(shù)方案

3.1.1 區(qū)域瓦斯壓力測(cè)定

區(qū)域瓦斯壓力測(cè)壓鉆孔布置如圖3所示。首先在8201運(yùn)輸巷揭煤前，在8號(hào)煤層回風(fēng)下山向揭煤方向未受擾動(dòng)的煤層區(qū)域施工測(cè)壓鉆孔，每組測(cè)壓鉆孔開孔間距為5m，終孔間距為30m；測(cè)壓鉆孔孔長(zhǎng)均為120m，封孔長(zhǎng)度為50m。根據(jù)測(cè)定結(jié)果掌握區(qū)域范圍內(nèi)的瓦斯情況。

圖3 區(qū)域瓦斯壓力測(cè)壓鉆孔布置

當(dāng)瓦斯壓力P<0.74MPa時(shí)，可直接在測(cè)定區(qū)域開展采掘作業(yè)。當(dāng)瓦斯壓力P≥0.74MPa，可以認(rèn)定測(cè)定區(qū)域存在發(fā)生瓦斯事故的危險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)對(duì)該區(qū)域采取瓦斯防治措施后，消除區(qū)域危險(xiǎn)后，方可開展采掘作業(yè)。

3.1.2 區(qū)域瓦斯防治措施

當(dāng)測(cè)定瓦斯壓力P≥0.74MPa時(shí)，對(duì)掘進(jìn)工作面前方區(qū)域采取預(yù)抽措施。區(qū)域瓦斯防治措施抽采鉆孔布置如圖4所示。抽采鉆孔沿8201運(yùn)輸巷開口位置自西向東進(jìn)行施工，抽采鉆孔開孔間距為1m，終孔間距為10m。鉆孔整體呈半扇形布置，鉆孔沿施工方向的覆蓋范圍不小于100m，沿傾向方向外錯(cuò)范圍不小于30m。鉆孔的抽采時(shí)間為100d，抽采結(jié)束后，再次進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，當(dāng)瓦斯壓力P≥0.74MPa，繼續(xù)延長(zhǎng)預(yù)抽時(shí)間50d，礦方可根據(jù)測(cè)定結(jié)果決定是否采取補(bǔ)打定向鉆孔的措施；直至瓦斯壓力P<0.74MPa，方可開展采掘作業(yè)。

圖4 區(qū)域瓦斯防治措施抽采鉆孔布置

3.1.3 掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

開展采掘作業(yè)時(shí)，首先在毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面迎頭處采用定點(diǎn)取芯采集煤樣，測(cè)定煤層瓦斯含量。掘進(jìn)工作面瓦斯含量預(yù)測(cè)測(cè)試點(diǎn)布置如圖5所示。掘進(jìn)工作面迎頭處分別布置3個(gè)檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，鉆孔方位分別為-15°、0°、15°，鉆孔取樣深度依次為30m、70m和50m。同時(shí)采用監(jiān)測(cè)監(jiān)控手段，測(cè)定掘進(jìn)工作面施工期間的絕對(duì)瓦斯涌出量。

圖5 掘進(jìn)工作面瓦斯含量預(yù)測(cè)測(cè)試點(diǎn)布置

1)若3個(gè)測(cè)點(diǎn)煤層瓦斯含量均小于8m3/t，可視為掘進(jìn)工作面前方70m范圍內(nèi)無突發(fā)瓦斯事故的危險(xiǎn)；同時(shí)測(cè)定掘進(jìn)工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量，當(dāng)掘進(jìn)工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量小于3m3/min，允許掘進(jìn)工作面在保留20m超前距離基礎(chǔ)上，向前掘進(jìn)50m。

2)若3個(gè)測(cè)點(diǎn)中任意測(cè)點(diǎn)瓦斯含量大于等于8m3/t，該掘進(jìn)工作面必須采取工作面局部抽采措施，并對(duì)局部抽采措施的抽采效果進(jìn)行驗(yàn)證，直至掘進(jìn)工作面的局部危險(xiǎn)性消除后，方可允許掘進(jìn)工作面在保留20m超前距基礎(chǔ)上，施工巷道50m。

3)若3個(gè)測(cè)點(diǎn)煤層瓦斯含量均小于8m3/t，然而掘進(jìn)工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量大于等于3m3/min，則需對(duì)掘進(jìn)工作面兩幫采取瓦斯抽采措施，方可允許掘進(jìn)工作面在保留20m超前距基礎(chǔ)上，施工巷道50m，且抽采鉆孔沿巷道兩幫無抽采盲區(qū)，抽采鉆孔間距不得大于2倍抽采半徑。

3.1.4 掘進(jìn)工作面抽采措施

依據(jù)毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)結(jié)果：當(dāng)煤層瓦斯含量W殘≥8m3/t或掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量不小于3m3/min時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取局部抽采措施。掘進(jìn)工作面局部抽采鉆孔布置如圖6所示。掘進(jìn)工作面采用順層條帶鉆孔作為掘進(jìn)期間局部抽采措施。采用順層條帶鉆孔呈扇形均勻布置，共布置16個(gè)抽采鉆孔，開孔間距為0.5m，分上下兩排布置。下排孔距巷道底板1.2m，上排孔距巷道底板1.7m。鉆孔超前預(yù)抽范圍為100m，外錯(cuò)距離為15m。抽采鉆孔直徑為113mm，抽采周期為60d；抽采周期結(jié)束后，對(duì)掘進(jìn)工作面的抽采效果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 掘進(jìn)工作面局部抽采鉆孔布置(mm)

3.1.5 掘進(jìn)工作面抽采效果驗(yàn)證

在毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面采取局部抽采措施后，需測(cè)定煤層殘余瓦斯含量，對(duì)掘進(jìn)工作面的抽采效果進(jìn)行驗(yàn)證。掘進(jìn)工作面防突措施效果檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。在煤巷條帶預(yù)抽瓦斯區(qū)域布置3個(gè)瓦斯含量測(cè)試點(diǎn)，采用定點(diǎn)取芯法采集煤樣，測(cè)定煤層殘余瓦斯含量。1號(hào)檢測(cè)點(diǎn)取樣深度為30m，取樣位置與掘進(jìn)工作面施工方向呈偏左15°；2號(hào)檢測(cè)點(diǎn)取樣深度為45m，取樣位置位于掘進(jìn)工作面施工方向正前方；3號(hào)檢測(cè)點(diǎn)取樣深度為30m，取樣位置與掘進(jìn)工作面施工方向呈偏右15°。

圖7 掘進(jìn)工作面防突措施效果檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置(mm)

若掘進(jìn)工作面檢驗(yàn)測(cè)試孔測(cè)得的煤層殘余瓦斯含量均小于8m3/t，表明局部抽采措施已消除掘進(jìn)工作面突發(fā)瓦斯事故的危險(xiǎn)性，此時(shí)允許掘進(jìn)工作面在保留20m超前距基礎(chǔ)上，向前掘進(jìn)50m。

若掘進(jìn)工作面任一檢驗(yàn)測(cè)試孔測(cè)得的煤層殘余瓦斯含量大于等于8m3/t，則表明局部抽采措施效果無效，則需增加鉆孔抽采強(qiáng)度，同時(shí)延長(zhǎng)抽采時(shí)間；直至殘余瓦斯含量W殘<8m3/t后，方可允許施工。

掘進(jìn)工作面施工期間必須進(jìn)行效果驗(yàn)證，掘進(jìn)工作面每推進(jìn)25m，進(jìn)行一次效果驗(yàn)證，驗(yàn)證方法采用煤鉆屑指標(biāo)法。掘進(jìn)工作面驗(yàn)證鉆孔布置如圖8所示。在掘進(jìn)工作面迎頭施工3個(gè)驗(yàn)證孔，一個(gè)鉆孔位于巷道工作面中部，并平行于巷道施工方向；其他兩個(gè)鉆孔靠近巷道兩幫0.5m處開孔，終孔于巷道輪廓線外的2～4m，鉆孔孔徑42mm，垂直工作面鉆孔孔深8～10m，控制范圍到巷道斷面外2～4m。

圖8 掘進(jìn)工作面驗(yàn)證鉆孔布置

鉆孔每鉆進(jìn)1m測(cè)定該1m段的全部鉆屑量S，每鉆進(jìn)2m至少測(cè)定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)Δh2值。若實(shí)測(cè)得到的S、Δh2的所有測(cè)定值均小于臨界值，則認(rèn)為掘進(jìn)工作面沒有突發(fā)瓦斯事故的危險(xiǎn)，此時(shí)可繼續(xù)完成50m施工工作；若實(shí)測(cè)得到的S、Δh2的所有測(cè)定值超出臨界指標(biāo)，則停止施工，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況，采取工作面局部治理措施。

3.2 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

通過對(duì)毛家莊煤礦區(qū)域瓦斯壓力進(jìn)行測(cè)定，毛家莊煤礦區(qū)域瓦斯壓力最大可達(dá)0.24MPa，因此毛家莊煤礦鑒定區(qū)域揭煤范圍內(nèi)沒有突發(fā)瓦斯事故的危險(xiǎn)。掘進(jìn)工作面跟蹤治理期間，毛家莊煤礦8201運(yùn)輸巷鑒定面、8201回風(fēng)巷鑒定面、8202運(yùn)輸巷鑒定面最大瓦斯含量為5.45m3/t，瓦斯含量均小于8m3/t，然而掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量均大于3m3/min，因此對(duì)掘進(jìn)工作面兩幫采取邊掘邊抽的局部抽采措施。掘進(jìn)工作面施工期間，采用S、Δh2指標(biāo)每間隔25m，進(jìn)行一次效果驗(yàn)證，S、Δh2最大分別可達(dá)3.4kg/m、160Pa，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。

4 結(jié) 論

1)毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面的主要瓦斯來源為煤壁瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出。毛家莊煤礦區(qū)域瓦斯壓力最大值為0.24MPa，掘進(jìn)工作面最大瓦斯含量為5.45m3/t，掘進(jìn)工作面兩幫采取邊掘邊抽的局部抽采措施。掘進(jìn)工作面施工期間S、Δh2指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果均小于臨界值，并且未發(fā)現(xiàn)其他異常情況。

2)基于毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面的瓦斯跟蹤治理方案，選取瓦斯壓力、瓦斯含量、絕對(duì)瓦斯涌出量、鉆屑量及Δh2等參數(shù)作為指標(biāo)，采取區(qū)域瓦斯壓力測(cè)定、區(qū)域瓦斯防治措施、掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、掘進(jìn)工作面抽采措施、掘進(jìn)工作面抽采效果驗(yàn)證的方式，提出毛家莊煤礦掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)方法。