特厚火成巖下煤層掘進(jìn)煤與瓦斯防突防治技術(shù)實(shí)踐

張朝川　尚海

摘 要 大興礦N1708工作面位于北一采區(qū)東部，本工作面火成巖侵入較為嚴(yán)重，且瓦斯含量高，瓦斯動力現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然對工作面采取“四位一體”防治措施，但防突指標(biāo)仍頻繁超限。通過對掘進(jìn)工作面采取邊抽邊掘;區(qū)域鉆孔高壓注水及掘進(jìn)期間動態(tài)局部鉆孔注水;增加區(qū)域措施鉆孔數(shù)量，增大鉆孔孔徑，加大抽放負(fù)壓及預(yù)抽時間等。同時采取以上多種措施，從而控制掘進(jìn)工作面前方賦存瓦斯，消除突出隱患，保證掘進(jìn)循環(huán)順利接續(xù)。

關(guān)鍵詞 特厚火層巖 煤層掘進(jìn) 邊抽邊掘 工作面

中圖分類號：TU452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）07-0010-03

N1708工作面掘進(jìn)期間瓦斯頻繁超限，掘進(jìn)過程中工作面瓦斯傳感器多次達(dá)到1.5%，工作面經(jīng)常斷電，嚴(yán)重影響工作面正常掘進(jìn)。通過每循環(huán)掘進(jìn)前對掘進(jìn)工作面兩幫施工抽采硐室，采取邊抽邊掘的方式，控制掘進(jìn)前方巷道兩幫動壓瓦斯;在工作面施工前及施工過程中采取煤層區(qū)域及局部動態(tài)施工鉆孔注水的方式，使掘進(jìn)前方煤體保持濕潤，增加透氣性，消除或降低煤層的突出危險;同時加大抽放負(fù)壓、增加鉆孔數(shù)量及抽放時間、提高封孔質(zhì)量;通過綜合防突技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低掘進(jìn)工作面前方瓦斯賦存含量，保證掘進(jìn)工作面瓦斯傳感器降到0.7%以下，確保掘進(jìn)工作順利進(jìn)行。

1 工作面概況

N1708工作面全處于北一采區(qū)南部，且7-2煤層頂板與4-2煤層底板之間有大面積火成巖床侵入為巖蓋區(qū)，本工作面火成巖侵入較為嚴(yán)重。實(shí)測瓦斯壓力已達(dá)0.85MPa，且瓦斯含量高，該區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU區(qū)，瓦斯動力現(xiàn)象嚴(yán)重。根據(jù)地質(zhì)鉆孔情況看，火層巖主要以巖床形式侵入，呈現(xiàn)出南北薄中部厚的趨勢，中部最厚為74.81m，917號地質(zhì)鉆孔實(shí)見。從666號地質(zhì)鉆孔資料看，火成巖局部有可能侵蝕7-2煤層，使煤層變薄或形成天然焦。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)鉆孔分析N1708工作面運(yùn)順側(cè)火成巖對煤層的影響較嚴(yán)重。

2 工作面突出危險性預(yù)測

該區(qū)域7-2煤層頂部發(fā)育一大型火層巖床，煤層變質(zhì)較嚴(yán)重，且掘進(jìn)七層軌道中巷時，工作面指標(biāo)Δh2（濕煤樣）最大值為182Pa，最大鉆屑量Smax為5.8 L/m，所以該區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU區(qū)。

3 綜合防突技術(shù)

3.1 邊抽邊掘施工工藝

在掘進(jìn)工作面每循環(huán)施工區(qū)域防突鉆孔的巷道兩幫各增加一個抽放鉆場。工作面及兩幫鉆場同時施工區(qū)域措施鉆孔，當(dāng)區(qū)域效果檢驗(yàn)合格后，工作面正常掘進(jìn)，但巷道兩幫鉆場控制巷道掘進(jìn)輪廓線以外的鉆孔繼續(xù)保持預(yù)抽狀態(tài)。當(dāng)工作面向前掘進(jìn)時，產(chǎn)生動壓使巷道兩幫鉆場鉆孔攔截了部分巷道周邊煤體涌出的瓦斯，降低了風(fēng)流中瓦斯的濃度，杜絕了瓦斯超限現(xiàn)象。

巷道掘進(jìn)每40m為1個循環(huán)，即在巷道兩幫每隔40m施工2個對稱鉆場，鉆場規(guī)格4m×3m×3.5m（長× 寬×高）。每個鉆場施工6個鉆孔，迎頭施工12個鉆孔，孔深60m，孔徑94mm。鉆孔施工完畢采用聚氨酯封孔，封孔深度不低于10m。鉆場鉆孔每天24h不間斷抽放，迎頭鉆孔至少抽放48h。

3.2 區(qū)域措施鉆孔高壓注水及局部防突鉆孔靜壓注水工藝

3.2.1 高壓注水工藝

掘進(jìn)工作面每循環(huán)施工區(qū)域措施孔之前，在工作面先施工6個注水孔使用4、6分管水泥封孔，對工作面前方煤層進(jìn)行高壓注水，注水以煤壁大量出水為標(biāo)準(zhǔn)，且不小于1小時。煤層通過高壓注水后再施工順層鉆孔，從而增強(qiáng)鉆孔透氣性，提高瓦斯抽采效率。

注水鉆孔深度：以區(qū)域措施鉆孔控制巷道輪廓線原則為基準(zhǔn)，注水鉆孔孔深一般為40m～60m之間。

施工注水鉆孔孔徑：Ф94mm。

注水壓力：采用泵壓注水，清水泵的泵壓控制在8-10MPa之內(nèi)，10MPa為掘進(jìn)期間最適宜壓力，最小注水壓力不得小于6MPa。

單孔注水時間：一般為間歇性注水5分鐘一次，實(shí)際單孔注水時間以煤壁出水時為準(zhǔn)。

高壓注水注意事項(xiàng)：

（1）施工完注水鉆孔后，必須采用壓風(fēng)將孔內(nèi)煤渣吹凈。

（2）孔內(nèi)使用4、6分管水泥封孔長度不小于15m。

3.2.2 靜壓注水工藝

當(dāng)區(qū)域措施執(zhí)行后，經(jīng)驗(yàn)證合格，從工作面掘進(jìn)開始，每一掘進(jìn)循環(huán)執(zhí)行靜壓注水措施，實(shí)施注水措施的鉆孔采用膠囊封孔器注水。對工作面前方煤層進(jìn)行靜壓注水，注水以煤壁大量出水為標(biāo)準(zhǔn)，且不小于30分鐘。煤層通過靜壓注水后再進(jìn)行掘進(jìn)，可減少工作面掘進(jìn)時的煤塵產(chǎn)生，還可減少沖擊地壓、煤與瓦斯突出和自然發(fā)火。

注水鉆孔深度：以工作面施工局部突出危險性預(yù)測鉆孔深度為標(biāo)準(zhǔn)，注水鉆孔孔深一般為8m～12m之間。

施工注水鉆孔孔徑：Ф76mm。

膠囊封孔器外徑：Ф69mm。

注水壓力：采用靜壓注水，掘進(jìn)期間最適宜注水壓力為3 MPa～6MPa。

注水時間：單孔注水時間為30分鐘，也可用多個膠囊封孔器同時對多個鉆孔進(jìn)行注水。

靜壓注水注意事項(xiàng)：

（1）將膠囊封孔器插入鉆孔內(nèi)，其末端距孔口距離不小于200mm。

（2）注水時，為了防止未注水的相鄰鉆孔因受壓產(chǎn)生變形，每個鉆孔都應(yīng)預(yù)先插入膠囊封孔器。

3.3 加大抽放負(fù)壓、增加鉆孔數(shù)量及抽放時間、提高封孔質(zhì)量

由于N1708工作面煤層透氣性較低，不利于瓦斯抽放。為了更好地達(dá)到瓦斯預(yù)抽效果，提高瓦斯抽采率，將工作面抽采負(fù)壓提高至100mmHg以上，同時增加了工作面迎面鉆孔數(shù)量及孔徑，施工鉆孔直徑由原來的Ф94改為Ф115。措施孔全部施工完畢后預(yù)抽時間不少于48小時。如用聚氨酯膠封孔不理想，為了滿足封孔的嚴(yán)密性，也可使用水泥封孔，采用“兩堵一注”的方式進(jìn)行封孔，選用4分、6分鐵管與聚氨酯膠，第一道膠封到距孔口位置12m處，第二道膠封到孔口位置，然后使用水泥封孔泵將拌好的水泥注入封孔段。

4 綜合防突效果驗(yàn)證

4.1 邊抽邊掘施工工藝效果分析

從2014年4月到2015年2月，北一708掘進(jìn)工作面累計抽放瓦斯5.21×105m3，平均每分鐘抽放0.8m3，工作面抽放率達(dá)19.3%。

由于鉆場鉆孔攔截了部分巷道周邊煤體涌入巷道的瓦斯，大大降低了風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，杜絕了瓦斯超限現(xiàn)象。2014年1～3月，在未實(shí)施邊抽邊掘技術(shù)時，共發(fā)生瓦斯超限8次，瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到5%，正常情況下瓦斯?jié)舛纫策_(dá)到0.8%。在采取邊抽邊掘措施后，瓦斯?jié)舛茸罡卟怀^0.7%，正常情況下為0.5%，如圖1所示。

通過抽放，使煤體的物理力學(xué)性質(zhì)得到改變，應(yīng)力集中帶前移，增加了迎頭前方煤體的卸壓帶寬度和透氣性，降低了發(fā)生突出的動力即瓦斯壓力和地應(yīng)力。

4.2 掘進(jìn)工作面高壓注水及靜壓注水效果分析

在工作面局部突出危險性預(yù)測方法中，鉆屑量Smax是煤與瓦斯突出危險性預(yù)測和效果檢驗(yàn)指標(biāo)之一。鉆屑量綜合反映了工作面前方的地應(yīng)力和瓦斯壓力，在相同煤層和相同孔徑條件下，鉆屑量取決于工作面前方煤體地應(yīng)力和瓦斯壓力，但瓦斯壓力對鉆屑量的影響比地應(yīng)力要小得多，因此，鉆屑量的變化反映了地應(yīng)力的分布狀態(tài)。

通過對掘進(jìn)工作面高壓注水前后施工鉆孔的鉆屑量統(tǒng)計對比。對比結(jié)果可以看出，通過高壓注水后掘進(jìn)工作面的集中應(yīng)力帶都出現(xiàn)了后移，注水前，鉆屑量在工作面前方3m處出現(xiàn)最大值，注水后在4m處出現(xiàn)最大值，說明經(jīng)高壓注水，煤巷掘進(jìn)工作面的卸壓帶長度由注水前3m增加到注水后的4m，應(yīng)力集中帶后移1m，掘進(jìn)工作面安全屏障提高1.3%。

靜壓注水是工作面最有效的防塵措施之一，工作面采用靜壓注水，由于靜壓注水為淺孔注水，可有效增加煤層的含水量。實(shí)踐證明，實(shí)施煤層靜壓注水不但能有效減少工作面煤塵的產(chǎn)生，而且能夠減少沖擊地壓、煤層自然發(fā)火等自然因素的發(fā)生。

5 結(jié)語

大興煤礦由于煤層賦存情況復(fù)雜，掘進(jìn)范圍內(nèi)經(jīng)常遇到火成巖或斷層侵入，且隨著采掘深度的增加，礦井瓦斯含量和瓦斯壓力也逐漸增大，煤與瓦斯突出危險性加劇，且煤層透氣性差預(yù)抽效果不好。因此，掘進(jìn)期間必須根據(jù)實(shí)際情況采取多種綜合防突措施。

利用邊抽邊掘工藝，一般主要針對巷道絕對瓦斯涌出量大的問題起到巷幫截流的作用，只能當(dāng)抽放措施而不是防突措施用。

利用區(qū)域及局部防突鉆孔注水工藝，特別是火成巖侵入較為嚴(yán)重的煤層，由于煤層變質(zhì)程度較高透氣性較低，通過鉆孔注入壓力水，濕潤煤體，煤體透氣性增加，瓦斯充分釋放，起到消突作用，同時使工作面前方煤體應(yīng)力集中帶后移，大大提高了掘進(jìn)工作面施工安全系數(shù)。

通過以上綜合防突措施的應(yīng)用，同時加大抽放負(fù)壓、增加鉆孔數(shù)量及抽放時間、提高封孔質(zhì)量，從而保證掘進(jìn)工作面順利掘進(jìn)。