大水頭煤礦一采區(qū)瓦斯壓力臨界值考察研究

郭武奎，靳 鵬

（1.甘肅靖遠煤電股份有限公司大水頭煤礦，甘肅 白銀 730913；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 引言

煤層瓦斯壓力作為評價煤層瓦斯含量大小及評測煤層是否具有突出危險性的最重要的指標之一，其數(shù)值的大小直接關系到瓦斯治理工程、瓦斯治理方法及礦井瓦斯治理資金投入的多少[1]?！斗乐蚊号c瓦斯突出細則》中規(guī)定，高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井要及時測定煤層瓦斯壓力參數(shù)，并在礦井、采區(qū)開拓前、開拓期間及生產期間要持續(xù)性測定煤層瓦斯壓力來進行開采煤層的突出危險性鑒定。同時也規(guī)定，煤與瓦斯突出礦井要進行區(qū)域預測指標臨界值的考察，以使后續(xù)礦井的安全生產提供科學指導，在未確定相應的區(qū)域突出預測指標之前，可以參考以0.74 MPa為參考指標[2]。針對該區(qū)域突出危險性指標的臨界值考察問題，我國多數(shù)礦井均采用國家給定的參考指標來進行突出危險性預測工作，卻未考慮不同煤炭賦存區(qū)域、不同區(qū)域地質條件差異所帶來的煤層瓦斯含量變化，給礦井的防突工作帶來較大不確定性。為此，針對該問題，大水頭煤層開展了區(qū)域預測指標瓦斯壓力臨界值的考察，其考察結果和研究方法可為其他礦井開展類似工作提供了有效指導。

1 區(qū)域預測指標臨界值考察重要性分析

礦井開采突出煤層須進行區(qū)域突出危險性預測，區(qū)域預測一般根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結合瓦斯地質分析的方法進行，也可以采用其他經試驗證實有效的方法。根據(jù)煤層瓦斯壓力和瓦斯含量進行區(qū)域預測的臨界值應當由具有煤突與瓦斯突出鑒定資質的機構進行試驗考察。試驗方案和考察結果應用前由煤礦企業(yè)技術負責人批準[3-4]。區(qū)域預測新方法的研究試驗應由具有突與瓦斯突出鑒定資質的機構進行，并在試驗前由煤礦企業(yè)技術負責人批準。根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結合瓦斯地質分析的區(qū)域預測方法，是把原來的瓦斯地質統(tǒng)計法和綜合指標法綜合起來，從而形成一套能夠對一個區(qū)域進行完整的區(qū)域預測的方法[5-6]。瓦斯地質劃分突出危險性區(qū)域，如圖1 所示。具體做法是：先把區(qū)域中那些能夠根據(jù)實際發(fā)生的突出或明顯突出預兆及煤層瓦斯風化帶分布等劃分成危險區(qū)、無危險區(qū)的部分劃分出來，然后對于其他區(qū)域則根據(jù)煤層瓦斯壓力或含量進行預測和劃分。

圖1 根據(jù)瓦斯地質分析劃分突出危險區(qū)域示意圖

根據(jù)煤層瓦斯參數(shù)結合瓦斯地質分析的區(qū)域預測方法應當按照下列要求進行：煤層瓦斯風化帶為無突出危險區(qū)域；根據(jù)已開采區(qū)域確切掌握的煤層賦存特征、地質構造條件、突出分布的規(guī)律和對預測區(qū)域煤層地質構造的探測、預測結果，采用瓦斯地質分析的方法劃分出突出危險區(qū)域。當突出點或者具有明顯突出預兆的位置分布與構造帶有直接關系時，則該構造的延伸位置及其兩側一定范圍的煤層為突出危險區(qū)；否則，在同一地質單元內，突出點和具有明顯突出預兆的位置以上20 m（垂深）及以下的范圍為突出危險區(qū)[7-8]；在第一項劃分出的無突出危險區(qū)和第二項劃分的突出危險區(qū)以外的范圍，應當根據(jù)煤層瓦斯壓力P 和煤層瓦斯含量W 進行預測。預測所依據(jù)的臨界值應當根據(jù)試驗考察確定，在確定前可暫按表1 預測。

表1 根據(jù)煤層瓦斯壓力或瓦斯含量進行區(qū)域預測的臨界值

區(qū)域預測所依據(jù)的主要瓦斯參數(shù)測定應當符合下列要求：煤層瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)應當為井下實測數(shù)據(jù)，用直接法測定瓦斯含量時應當定點取樣；測定煤層瓦斯壓力、瓦斯含量等參數(shù)的測試點在不同地質單元內根據(jù)其范圍、地質復雜程度等實際情況和條件分別布置；同一地質單元內沿煤層走向布置測試點不少于2 個，沿傾向不少于3 個，并確保在預測范圍內埋深最大及標高最低的部位有測試點。

2 大水頭煤礦該礦

2.1 礦井概況

2.1.1 瓦斯情況

大水頭煤礦為煤與瓦斯突出礦井，井田內瓦斯地質構造復雜，可采煤層瓦斯含量為6～10 m3/t，呈現(xiàn)東高西低特征，原始煤層瓦斯壓力為0.15～0.70 MPa，煤層透氣性系數(shù)1.11～4.66 m2/（MPa2·d），煤層為可抽采煤層。礦井總排風量為10 648 m3/min，有效風量率92.7%，根據(jù)2021 年度礦井瓦斯等級鑒定報告，礦井絕對瓦斯涌出量為41.53 m3/min，相對瓦斯涌出量11.08 m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為11.64 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量3.04 m3/min。

礦井建有1 套地面永久抽采系統(tǒng)，安裝2 臺2BEP5202-BG3C 型抽采泵，額定抽氣量206 m3/min，2 臺2BE1405-1BV3C抽采泵，額定抽氣量120 m3/min，東西采區(qū)各安裝2 臺ZWY85/110-G 型移動式瓦斯抽采泵。抽采管路約20 000 m，兩趟Φ400 mm 抽采主管路，對礦井實行分區(qū)抽采，抽采總濃度為25%～32%之間，總純流量為28m3/min 左右，月抽采瓦斯量120 萬m3左右，礦井抽采率達46%左右。年施工瓦斯抽采鉆孔12 萬余米，配有ZDY-650 型、ZDY-4000 型、ZDY-3500LP 型等抽采鉆機，當前礦井共連網抽采鉆孔1 500 余個。

2.1.2 生產布局

礦井建成投產時的生產能力為105 萬t/a，經改擴建后生產能力提升至220 萬t/a。礦井主采煤層為一煤層，采用走向長壁綜采放頂煤采煤法，工作面落煤方式為采煤機割煤和架后放頂煤相結合。如圖2，井田共劃分為八個采區(qū)，其中東翼三個采區(qū)（東一采區(qū)、東二采區(qū)、東三采區(qū)），中部兩個采區(qū)（中一采區(qū)、中二采區(qū)），西翼三個采區(qū)（西一采區(qū)、西二采區(qū)、西三采區(qū)）。中部兩個采區(qū)、東二采區(qū)、西一采區(qū)已經開采結束，按照“一井兩區(qū)、一區(qū)一面”的生產布局，現(xiàn)礦井進行采掘活動的采區(qū)有2 個，即東一采區(qū)、西三采區(qū)?，F(xiàn)采掘現(xiàn)狀為：東一采區(qū)布置1 個綜放工作面，即東101 自動化綜放工作面（煤厚約10.5m，屬近水平煤層），1 個掘進工作面，即東105-1 運輸順槽綜掘工作面；西三采區(qū)布置1 個綜放工作面，即西304 自動化綜放工作面（煤厚約5.4 m，屬傾斜煤層），1 個掘進工作面，即西305 切眼，1 個開拓巷道，即西三采區(qū)運輸巷延伸段開拓。

圖2 東三采區(qū)區(qū)域巷道布置示意圖

2.2 東三采區(qū)概況

東三采區(qū)作為新開拓采區(qū)，東三采區(qū)傾斜寬度368 m，根據(jù)煤層賦存、地質構造情況以及綜放開采工藝的要求，工作面沿石門及上山單翼布置，劃分區(qū)段時基本與DF41 斷層及花尖子向斜走向平行，沿煤層等高線進行劃分，區(qū)段間凈煤柱按10 m 窄小煤柱考慮。由于中部有刀楞山斷層影響，只能劃分成2 個區(qū)段。設計工作面傾斜長度平均為150 m，走向長度分別為920 m 和750 m。

根據(jù)采區(qū)開拓方案，先利用現(xiàn)有運輸斜巷，坡度12°，長度150 m，再按坡度16°，長度85 m 延深運輸斜巷，到1135 水平后接運輸石門，長度136 m，凈斷面16.75 m2，石門布置在煤層底板巖石中，上山沿煤層底板穩(wěn)定巖石布置，距煤層約25 m，長度350 m，鋪設軌道和膠帶輸送機。利用原東一采區(qū)回風上山作為東三采區(qū)的回風上山。利用從1180 東運輸大巷邊界上山口處向東約25 m 開口平行1180 進風石門布置的東101 運輸斜巷繼續(xù)向下延深，作為東三采區(qū)的運輸及總進風巷，開口時以+4‰的坡度掘進105 m上部車場，現(xiàn)已經以-12°坡度掘進150 m 到東一采區(qū)101 工作面位置，本次設計繼續(xù)以-16°坡度向下延深85 m 進入煤層底板巖石，到1135 水平時落平，然后以+4‰的坡度繼續(xù)前掘136 m 石門，然后在距煤層底板20 m 位置布置東三采區(qū)運輸上山，利用原邊界上山作為回風上山。東三采區(qū)的區(qū)域巷道布置圖，如圖3 所示。

圖3 東一和東三采區(qū)區(qū)域巷道布置示意圖

東三采區(qū)現(xiàn)布置工作面位置煤層平均厚度為9 m。煤層傾角為3°～20°，平均14°，西部傾角略大，中部及東部平緩。煤層結構較單一，一般含夾矸1～4 層或呈單一結構，夾矸厚度小于1 m。煤層頂板巖性為炭質泥巖、砂質泥巖，易破碎冒落。煤層底板以粗砂巖及細砂巖為主，采用走向長壁綜合機械化放頂煤一次采全高采煤，采用走向長壁綜合機械化放頂煤一次采全高采煤法。

3 瓦斯壓力臨界值考察方法

《防治煤與瓦斯突出細則》中規(guī)定區(qū)域預測指標主要有瓦斯含量和瓦斯壓力，而瓦斯含量和瓦斯壓力臨界值的確定對局部敏感指標臨界值確定也有著很重要的意義。區(qū)域預測指標中瓦斯壓力指標臨界值的確定方法主要有經驗公式、規(guī)定臨界值、現(xiàn)場突出動力現(xiàn)象等，而對于瓦斯含量臨界值則可以通過確定后的最小突出壓力利用間接法計算得到。

自20 世紀70 年代，國內外很多學者對煤層發(fā)生突出的最小瓦斯壓力進行了研究。突出最小瓦斯壓力多是在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的基礎上利用統(tǒng)計學手段獲得的。通過研究發(fā)現(xiàn)，煤與瓦斯突出的發(fā)生不僅與瓦斯壓力的大小有關，而且還與煤本身的特性相關，如煤的堅固性系數(shù)、煤的揮發(fā)分等。在近代很多先進的方法均運用于煤與瓦斯突出的預測中，然而根據(jù)統(tǒng)計學得到的經驗公式法，由于其簡便性一直較好的被用于突出最小瓦斯壓力的確定中，在我國較為經典的經驗公式主要有以下幾種。

3.1 現(xiàn)場實測

3.1.1 鉆孔布置

根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》（AQ/T1047-2007）的標準要求，鉆孔測壓地點選擇時應避開構造和采動影響區(qū)域。而大水頭煤礦本次預測區(qū)域為東三采區(qū)，由于東三采區(qū)內暫無巷道，因此本次對該區(qū)域的測壓鉆孔及煤層瓦斯含量測定的取樣鉆孔主要布置東101 運輸巷及東翼運輸上山。

測試點在不同區(qū)域內根據(jù)其范圍、地質復雜程度等實際情況和條件分別布置，在東101 運輸巷布置3 個瓦斯壓力測點，在東翼運輸上山布置1 個瓦斯壓力測點，鉆孔布置參數(shù)，如表2 所示；鉆孔布置的剖面圖，如圖4 所示。

表2 東三采區(qū)瓦斯壓力測定地點布置情況表

圖4 鉆孔剖面圖

3.1.2 鉆孔封孔

采用“兩堵一注”封孔，封孔長度視煤層底板巖性及鉆孔長度而定。鉆孔成孔以后，需要用壓風將孔內積水排放干凈。然后把囊袋通過膠帶固定在四分測壓鍍鋅管上，一同插入到設定的封孔深度，待后端囊袋插入到鉆孔中后，把注漿泵和注漿管連接起來，通過注漿管向囊袋及鉆孔中注入水泥漿，待兩端囊袋注滿到一定程度，注漿管中間的爆破閥會爆，然后水泥漿會注入到兩端囊袋中間的鉆孔中，注漿直到注漿泵上壓力表達到一定值后，注漿完成，停止注漿。

3.1.3 測壓結果

鉆孔封孔后，經過24 h 水泥漿固化達到一定強度，在測壓管端頭裝上壓力表，并檢驗接頭等處是否漏氣，如果發(fā)現(xiàn)漏氣需重新上表，若不漏氣準確記錄讀數(shù)值。根據(jù)《煤礦井下煤層瓦斯壓力的直接測定方法》（AQ/T 1047—2007）規(guī)定，需定期觀測壓力值，當瓦斯壓力在3 d 內不變化或者變化小于0.015 MPa，測壓工作結束。東三采區(qū)瓦斯壓力測定結果，如表3所示。

表3 東三采區(qū)瓦斯壓力測定結果

3.2 臨界值確定

通過理論分析與現(xiàn)場實測相結合，得出一煤層瓦斯壓力在各自臨界值條件下的對應關系，如表4 所示。

表4 大水頭煤礦一煤層瓦斯壓力各條件下臨界值

統(tǒng)計分析了本次實測的瓦斯壓力數(shù)據(jù)，一煤層最大煤層瓦斯壓力為0.50 MPa，不大于0.74 MPa。從煤礦安全生產考慮，按照《防治煤與瓦斯突出細則》將0.74 MPa 作為一煤層區(qū)域預測或者區(qū)域效果檢驗瓦斯壓力的臨界值是可行的，即一煤層瓦斯壓力臨界值為0.74 MPa。

4 總結

1）區(qū)域預測指標是評判煤層是否具有突出危險性的主要依據(jù)，煤層瓦斯壓力作為主要指標，其臨界值的確定對于礦井進行有針對性的突出危險性防治具有重大的現(xiàn)實意義。

2）通過在大水頭煤礦不同區(qū)域布置不同埋深的測壓鉆孔，對煤層的瓦斯壓力指標進行了實測，得到大水頭煤礦一煤層區(qū)域突出危險性預測、區(qū)域防突措施效果檢驗相對瓦斯壓力臨界值為0.74 MPa。