低透氣性強(qiáng)突出煤層的瓦斯防治技術(shù)研究

孫傳軍，李 康

（皖北煤電集團(tuán)公司 祁東煤礦，安徽 宿州23400）

1 概況

祁東煤礦二采區(qū)9煤層經(jīng)鑒定為低透氣性強(qiáng)突出煤層，平均煤厚4.1m，實(shí)測(cè)瓦斯壓力高達(dá)3.3MPa，突出十分嚴(yán)重。9煤層上覆71煤層，71為無(wú)突出煤層，煤厚0.8～2.63m，平均1.75m，71煤層與9煤層層間距平均43m，具備上保護(hù)層開(kāi)采條件，因此，為大幅度降低下部煤層工作面的瓦斯涌出量，消除9煤的突出危險(xiǎn)性等災(zāi)害，先期開(kāi)采上部保護(hù)層71煤層，并對(duì)9煤層進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。

2 區(qū)域瓦斯防治措施

2.1 上保護(hù)層開(kāi)采

2.1.1 開(kāi)采保護(hù)層的有效層間距

7122工作面開(kāi)采71煤層，煤層傾角8°～14°，平均13°，屬緩傾斜煤層，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，開(kāi)采上保護(hù)層時(shí)，對(duì)于緩傾斜煤層，上保護(hù)層與被保護(hù)層之間的最大保護(hù)垂距小于50m。根據(jù)該采區(qū)部分勘探孔資料，71煤層與9煤層層間距平均為43m左右。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》及有關(guān)理論和經(jīng)驗(yàn)，此層間距在有效層間距之間，故可以依據(jù)保護(hù)層開(kāi)采理論的相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)采。

2.1.2 保護(hù)層的開(kāi)采范圍

根據(jù)祁東煤礦的采掘部署，將二采區(qū)9煤層上方的71煤層的7122工作面作為保護(hù)層工作面。工作面參數(shù)為：

工作面標(biāo)高：－460m～－500m；

工作面走向長(zhǎng)：1090m；

工作面傾斜長(zhǎng)：164m；

煤層厚度：0.8～2.63m，平均1.75m；

煤層傾角：8°～14°，平均13°；

頂板管理：全部陷落法。

2.1.3 被保護(hù)層的開(kāi)采范圍

根據(jù)7122工作面開(kāi)采范圍，首先在理論上劃分出7122工作面開(kāi)采對(duì)9煤層工作面的保護(hù)范圍。

（1）沿傾斜方向的保護(hù)范圍

依照7122工作面的開(kāi)采范圍對(duì)被保護(hù)層保護(hù)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)。保護(hù)層開(kāi)采沿傾斜方向的保護(hù)范圍，按傾向卸壓角劃定。保護(hù)層工作面煤層傾角約為13°左右，依照規(guī)定：保護(hù)層工作面上部?jī)A斜卸壓角δ3、δ4應(yīng)按75°設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）；經(jīng)計(jì)算，9煤被保護(hù)層相對(duì)于保護(hù)層工作面，被保護(hù)層工作面風(fēng)巷和機(jī)巷分別內(nèi)錯(cuò)保護(hù)層工作面12.7m。

圖1 保護(hù)層工作面沿傾斜方向的保護(hù)范圍

（2）沿走向方向的保護(hù)范圍

保護(hù)層開(kāi)采沿走向的保護(hù)范圍，按走向卸壓角劃定。71煤層和9煤層層間距根據(jù)鉆孔柱狀圖為46.4m。卸壓角按照56°計(jì)算（見(jiàn)圖2）。經(jīng)計(jì)算被保護(hù)層工作面在始采線和終采線相對(duì)于保護(hù)層工作面位置分別內(nèi)錯(cuò)31m。

圖2 保護(hù)層工作面沿走向方向的保護(hù)范圍

2.2 被保護(hù)層瓦斯抽采措施

根據(jù)國(guó)內(nèi)外開(kāi)采保護(hù)層的經(jīng)驗(yàn)，在保護(hù)層開(kāi)采時(shí)，利用穿層鉆孔抽采被保護(hù)層的卸壓瓦斯，對(duì)于解決保護(hù)層工作面的瓦斯涌出量、消除被保護(hù)層的突出危險(xiǎn)性具有重要的作用。因此，在距9煤層底板法距28m的底板施工9煤底板抽采巷，利用抽采巷打穿層鉆孔來(lái)預(yù)抽9煤層瓦斯，抽采巷貫穿于9煤整個(gè)需要布置的工作面，根據(jù)鉆機(jī)的能力保證抽采鉆孔控制被保護(hù)層9煤層整個(gè)工作面輪廓線外15m。抽采鉆孔的間距根據(jù)9煤為松軟低透氣性煤層的特性，因此，在9煤底板抽采巷內(nèi)每隔26m再分別設(shè)一鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)寬×高×深＝4.2m×2.6m×4.5m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)抽采鉆孔，工作面走向長(zhǎng)度為1090m，共施工約42組294個(gè)鉆孔。鉆孔開(kāi)孔位置位于鉆場(chǎng)頂部，終孔位置穿透9煤層頂板0.5m（在實(shí)際施工中可根據(jù)打鉆過(guò)程中對(duì)煤層實(shí)際賦存情況的驗(yàn)證對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但必須保證鉆孔見(jiàn)煤點(diǎn)的間距以及9煤層抽采范圍）。

3 9煤層鉆孔瓦斯流量及透氣性系數(shù)變化

上保護(hù)層71煤層未開(kāi)采前，被保護(hù)9煤層原始瓦斯壓力高（2.3～3.2MPa）、瓦斯含量較大（9.1～11.2m3／t）、透氣性差（0.0045～0.064m2／MPa2·d）、鉆孔瓦斯衰減快（鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)η＝0.16），原始狀態(tài)抽采瓦斯困難。71煤層工作面開(kāi)采后，被保護(hù)9煤層的鉆孔瓦斯流量及透氣性系數(shù)發(fā)生了一定規(guī)律性的變化。

保護(hù)層7122綜采面的回采前，被保護(hù)9煤層鉆孔瓦斯流量為1L／min；保護(hù)層7122工作面的回采后，被保護(hù)層9煤煤層產(chǎn)生卸壓，煤層透氣性增大，鉆孔瓦斯流量為24.8 L／min，比未卸壓前增大近25倍。

保護(hù)層7122綜采面回采前后，被保護(hù)9煤層透氣性系數(shù)變化情況見(jiàn)表1。

表1 保護(hù)層7122綜采面開(kāi)采前后被保護(hù)層9煤層透氣性系數(shù)

表1表明，被保護(hù)區(qū)內(nèi)的9煤層透氣性增加，其透氣性系數(shù)增大了76～1484倍，從而為瓦斯抽采提供了良好的條件。

4 7122綜采面開(kāi)采對(duì)下伏9煤層卸壓保護(hù)參數(shù)及防突效果分析

根據(jù)71煤層開(kāi)采對(duì)被保護(hù)9煤層有代表性的傾斜上、下及走向方向煤層變形考察結(jié)果，以被保護(hù)層煤層層理法向變形6‰作為有效消除地應(yīng)力主導(dǎo)型動(dòng)力災(zāi)害；被保護(hù)9煤層的卸壓瓦斯抽采率為42%，被保護(hù)9煤層殘余瓦斯含量為5.3m3／t。

根據(jù)上述9煤層的煤巖瓦斯動(dòng)力參數(shù)變化和殘余瓦斯含量值，分析得出下伏被保護(hù)9煤層在保護(hù)范圍內(nèi)已無(wú)突出危險(xiǎn)。

5 9煤層局部防突措施

5.1 掘進(jìn)工作面防突措施

表2 鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)煤巷掘進(jìn)工作面和采煤工作面突出危險(xiǎn)性的參考臨界值

首先采用鉆屑指標(biāo)法對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行連續(xù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，參考臨界值見(jiàn)表2。鉆孔的位置及控制范圍按防治煤與瓦斯突出規(guī)定執(zhí)行，若預(yù)測(cè)工作面無(wú)突出危險(xiǎn)，采取安全措施后進(jìn)行掘進(jìn)。若預(yù)測(cè)工作面有突出危險(xiǎn)采取排放鉆孔防突措施，并進(jìn)行效果檢驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證措施有效后，既判斷為無(wú)突出危險(xiǎn)的工作面，當(dāng)措施無(wú)效時(shí)，既判斷為突出危險(xiǎn)工作面，繼續(xù)采取局部防突措施，直至措施有效。采取安全措施后進(jìn)行掘進(jìn)，煤巷掘進(jìn)保留3m預(yù)測(cè)超前距，施工到位后再進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以此類推。

5.2 采煤期間防突措施

工作面采用鉆屑指標(biāo)法進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，參考臨界值見(jiàn)表2，沿工作面每隔10m（斷層附近加密預(yù)測(cè)鉆孔）布置一個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔，孔深6m，孔徑42mm，鉆孔應(yīng)盡可能布置在軟分層中，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)K1或△h2值。若預(yù)測(cè)無(wú)突出危險(xiǎn)，并且未發(fā)現(xiàn)其它異常情況，工作面在采取安全防護(hù)措施并保留不少于3m預(yù)測(cè)孔投影孔深超前距的條件下進(jìn)行采煤作業(yè)；否則，為突出危險(xiǎn)工作面，必須執(zhí)行工作面防突措施。防突措施采用排放鉆孔釋放煤體瓦斯措施，并經(jīng)效果檢驗(yàn)有效后，方可采取安全防護(hù)措施的情況下繼續(xù)施工。

6 應(yīng)用情況

通過(guò)開(kāi)采解放層、底板抽采煤層瓦斯、掘進(jìn)工作面防突措施、采煤工作面防突措施等一系列措施，確保了被保護(hù)層工作面掘進(jìn)期間和回采期間的安全，現(xiàn)被保護(hù)層9煤工作面已安全回采620m，生產(chǎn)原煤470kt，取得了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。