工作面下向鉆孔瓦斯超限原因及應(yīng)對(duì)措施

文/賀劍明 武建軍

一、礦井概況

沙曲礦為華晉焦煤有限責(zé)任公司第一對(duì)生產(chǎn)礦井，井田走向長(zhǎng) 22km，傾斜寬 4.5～8km，面積135km2，地質(zhì)儲(chǔ)量22.52億噸，可采儲(chǔ)量12.76億噸。2004年投產(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)能力300萬(wàn)t/a。

礦井采用斜、立井混合開拓方式，劃分兩個(gè)水平開采。全井田共劃分為25個(gè)采區(qū)，其中第一水平15個(gè)采區(qū)（北翼6個(gè)采區(qū)，南翼9個(gè)采區(qū)），二水平10個(gè)采區(qū)（北翼5個(gè)采區(qū)，南翼5個(gè)采區(qū)）。目前主采煤層為4#煤層。

截至2008年，井下南一、南二、北一采區(qū)4#煤已回采完畢。目前生產(chǎn)采區(qū)為南二采區(qū)5#煤層，北二采區(qū)4#煤層，且各布置一個(gè)回采工作面，設(shè)計(jì)年產(chǎn)原煤分別為100萬(wàn)t/a和200萬(wàn)t/a。各煤層都屬于可以抽采煤層，但都接近難易抽采煤層。

2003年4月25日和4月27日在南二采區(qū)14203軌道巷掘進(jìn)過程中發(fā)生兩次瓦斯異常涌出和動(dòng)力現(xiàn)象，涌出煤量約47t，涌出瓦斯量約937m3。2005年3月5日煤炭科學(xué)研究總院撫順分院鑒定4#煤層為煤與瓦斯突出煤層。山西省煤炭工業(yè)局批復(fù)結(jié)果為：沙曲礦4#和5#煤層為突出煤層，2#和3#煤層為不突出煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。

從煤層賦存特點(diǎn)來(lái)看，沙曲礦為近距離煤層群開采，一層開采，多層卸壓，是造成采掘工作面瓦斯涌出量大的主要原因，4#主采煤層回采工作面面瓦斯涌出量高達(dá)60～80m3/min，掘進(jìn)工作面高達(dá)10m3/min以上。

圖一 工作面綜合鉆孔柱狀圖

圖二15201膠帶巷下鄰近層鉆孔示意圖

二、工作面情況簡(jiǎn)介

15201工作面是沙曲礦施工的第一個(gè)5#煤工作面，該工作面總體呈單斜構(gòu)造，煤層傾向南西，煤層厚度2.44～3.3m，平均煤厚2.75m，工作面傾向長(zhǎng)1181m，走向長(zhǎng)179m。整個(gè)工作面配風(fēng)900m3/min。

工作面綜合鉆孔柱狀圖如圖一。圖一，5#煤與6#煤平均間距約13～15m，6#煤瓦斯壓力約2.1MPa，上覆L5灰?guī)r為沙曲井田主要含水巖層之一，因水蝕作用在石灰?guī)r中產(chǎn)生了大量裂隙，部分為方解石充填，沒有被方解石充填的裂隙被大量6#煤涌出的瓦斯和水充填，同時(shí)上層約5m厚的泥巖又具有較好的密閉性，裂隙內(nèi)瓦斯在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代得到了很好的儲(chǔ)存。

為有效解決15201工作面下鄰近層6#煤瓦斯涌出，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)施工下臨近層鉆孔，下鄰近層鉆孔采用膠帶巷和軌道巷雙側(cè)布置，鉆孔間距為6m，總進(jìn)尺為8144m。鉆孔與底板夾角為38°，向回采工作面下鉆進(jìn)，5#煤層與6#煤層間距為13～15m，鉆孔施工約19～21m穿透6#煤層，同時(shí)為解決煤渣沉淀，則設(shè)計(jì)鉆孔深度約為21～22m。

鉆孔具體布置見圖二。鉆孔施工采用MKQJ120/40潛孔鉆機(jī)施工，擴(kuò)孔孔徑為120mm，鉆孔孔徑為90mm,擴(kuò)孔、封孔長(zhǎng)度為3m，聚氨酯封孔。擴(kuò)孔后先用4寸PVC管進(jìn)行封孔，并使用法蘭盤在距孔口200mm處4寸PVC管上連接防噴裝置。結(jié)構(gòu)見圖三。

三、超限原因分析

下向鉆孔自2009年6月25日施工以來(lái)共出現(xiàn)了四次瓦斯超限，詳情及原因見表一。

1.地質(zhì)原因

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員描述，打鉆過程中兩次超限都是在鉆屑中出現(xiàn)白色粉末的時(shí)候出現(xiàn)的，據(jù)此分析此白色粉末應(yīng)為鉆孔施工到了灰?guī)r層裂隙內(nèi)充填的方解石，施工的鉆孔導(dǎo)通裂隙造成裂隙內(nèi)瓦斯瞬間大量涌出，造成瓦斯超限

目前膠帶巷施工位置處于一個(gè)小型背斜構(gòu)造的軸部，因地質(zhì)構(gòu)造原因瓦斯壓力較大，極易出現(xiàn)大量高壓瓦斯噴出，造成了本次超限。

因L5灰?guī)r水量比較大，雖然采取了措施，但在大量瓦斯夾帶水涌出的情況下，灰?guī)r水依然會(huì)造成瓦斯抽放通道不暢，使得大量瓦斯通過鉆桿與放噴裝置密封圈之間的間隙涌入巷道。

2.抽放系統(tǒng)原因

抽放系統(tǒng)孔口負(fù)壓100mmHg，在大量瓦斯涌出的情況下不足以抵消瓦斯強(qiáng)大的正壓，故造成大量瓦斯從防噴裝置涌出，在瓦斯涌出量突然增大的情況下，1、2、3點(diǎn)均為正壓且壓力相等，瓦斯通過密封圈和鉆桿之間空隙流向巷道的趨勢(shì)與流向抽放管路趨勢(shì)相等，在這種情況下防噴裝置只能防止噴鉆對(duì)鉆機(jī)操作人員的傷害，并不能防止瓦斯噴出，故大量瓦斯涌入巷道造成兩次打鉆過程的瓦斯超限。

表一 四次超限情況一覽表

圖三下鄰近鉆孔防噴裝置示意圖

四、采取措施

1.采用新式防噴裝置

新式防噴裝置改進(jìn)了密封圈結(jié)構(gòu)，密封圈與鉆桿結(jié)合更為緊密，整套裝置等于多加了兩趟抽放管，能夠最大程度地避免瓦斯的噴出，加大抽放強(qiáng)度。

2.加強(qiáng)抽放管路放水工作

因L5灰?guī)r含水量大，大量的水進(jìn)入抽放管路影響抽放效率，通過放水最大程度地避免抽放管路內(nèi)積水對(duì)負(fù)壓的影響。

3.加強(qiáng)人員培訓(xùn)

通過操作人員素質(zhì)的提高，縮短最后一根鉆桿拔出與連接抽放管路的時(shí)間，避免拔出鉆桿而抽放管路尚未連接完畢這段時(shí)間出現(xiàn)超限。

五、結(jié)論

經(jīng)過以上措施的采取自此后連續(xù)施工36個(gè)鉆孔均未出現(xiàn)瓦斯超限。通過下向鉆孔的施工，工作面回風(fēng)流巷的瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.5%以下，工作面回采期間連續(xù)7個(gè)月未出現(xiàn)瓦斯超限事故。

根據(jù)沙曲礦實(shí)際情況采用新式防噴裝置，加強(qiáng)抽放管路放水工作，大幅度降低了鉆孔瓦斯超限次數(shù)，扭轉(zhuǎn)了安全生產(chǎn)不利局面。