超前復合鉆探在煤巷掘進工作面瓦斯防治中的應用

尚會楊 岳軍文 王風鳴

(1.河南能源化工集團新疆投資控股有限公司,新疆 830026；2.新疆拜城縣眾維煤業有限公司，新疆 842300)

據統計，歷史上發生的9845次煤與瓦斯突出事故中，煤巷掘進工作面發生7482次，占78%。經對有嚴重突出危險礦務局的3802次煤與瓦斯突出事故進行分析，煤與瓦斯突出大多發生在地質構造帶及其附近處，其中有2525次發生在斷層、褶曲、火成巖侵入、煤層厚度發生變化等地質構造處，占81.9%，如2014年貴州黔西縣新田煤礦的“10.5”煤與瓦斯突出事故，就發生在1404回風順槽掘進工作面前方的復雜地質構造帶附近。煤與瓦斯突出通常以地應力為主，瓦斯壓力為輔，二者形成一個較復雜的瓦斯地質力學綜合體，一旦失衡，就會發生“突出”事故。因此，通過超前復合鉆探，探明煤巷掘進工作面前方的地質和瓦斯賦存等情況，對有效防止煤與瓦斯突出事故具有重要的先導基礎作用。

1 礦井概況

庫拜煤田是新疆地區重要的焦煤生產基地，眾維煤礦(以下簡稱該礦)位于庫拜煤田的西部。礦區整體呈單斜構造，斷裂不發育。該礦主采Ⅳ13煤層，煤層自西往東逐漸變薄，平均煤厚0.91～10.92m，含夾矸2～3層，且含有f≤0.3的軟分層，煤層傾角29°～33°，煤層頂板為中～粗粒砂巖，局部具炭質泥巖偽頂，底板為粉砂巖或細粒砂巖。雖然礦區斷裂不發育，但是地質異常帶、隱伏構造帶一定程度上對煤層及其頂底板造成破壞，影響瓦斯在煤層中運移，對瓦斯產生聚集或釋放作用，造成瓦斯分布不均，局部產生應力集中和高壓瓦斯區域。加之煤層頂板中～粗碎屑巖厚6.94～19.44m，上覆厚層砂質泥巖、粉砂巖層，其透氣性稍差，地層和煤層中的水流動性差，均不利于瓦斯逸散，該礦煤層瓦斯基礎參數見表1。

隨著礦井不斷延深，開采深度增加，煤層瓦斯壓力和含量均呈增大態勢，加之小型地質構造增多，瓦斯問題愈加突出，成為制約礦井安全生產的首要因素。雖然2013年鑒定為高瓦斯礦井，但2015年在+2050m標高處測得煤層瓦斯壓力達到1.32MPa，瓦斯含量12m3/t。按照《防治煤與瓦斯突出規定》的要求，未完成突出危險性鑒定前，應按照突出煤層進行管理。因此，該礦在鑒定為煤與瓦斯突出礦井前，堅持采用超前復合鉆探，精準掌握煤巷掘進工作面前方煤體的地質和瓦斯賦存基本條件后，嚴格執行兩個“四位一體”綜合防突措施，保證了礦井掘進工作的安全實施。

表1 眾維煤礦三采區IV13煤層瓦斯基礎參數表

2 超前復合鉆探技術的應用

2.1 超前復合鉆探工作思路

該礦超前復合鉆探實行“兩分析、兩探查、兩驗證”工作思路。即：每個區域條帶掘進前，對煤層原始瓦斯含量和煤質指標進行分析；采用長、中、短探孔相結合的方式對掘進工作面前方的煤層賦存、地質變化進行探查；兩驗證指區域驗證和局部效檢指標驗證。

2.2 超前復合鉆探鉆孔布置

該礦超前復合鉆探分三個步驟進行。一是沿掘進方向每120m作為一個區域防突評價單元。超前長鉆探孔按照分層布置方式施工三個長鉆孔分別控制兩層夾矸所分成的三個煤分層，中間鉆孔控制掘進前方120m的中間分層，兩幫鉆孔分別控制下分層煤和上分層煤，并控制巷道輪廓線外30m范圍。選取測點測定煤層瓦斯含量并進行煤質指標化驗，詳實記錄打鉆期間遇到的異常情況以分析、判斷掘進前方的地質情況及瓦斯賦存情況。二是在區域驗證后，局部防突單元評價前，施工三個鉆探孔控制掘進前方30m范圍、巷道輪廓線外5m范圍和三個煤分層，以探明掘進前方30m范圍內的地質情況。三是沿掘進方向每10m作為一個局部防突評價單元，短鉆孔按照分層布置方式，在兩層夾矸所分成的三個煤分層中各施工三個短鉆孔分別控制掘進前方10m和巷道輪廓線外5m范圍，選取測點測定鉆屑瓦斯解吸指標K1值和鉆屑量S值，并詳實記錄打鉆期間遇到的異常情況以分析、判斷掘進前方的地質情況及瓦斯賦存情況。

2.3 超前復合鉆探分析

以該礦在三采區回風下山第一個區域防突評價單元為例。所施工的超前鉆探孔在鉆進30～54m位置巷道中心線左側出現深度不一的鉆孔遇巖情況，當鉆進至54～77m范圍時，出現塌孔、堵鉆、卡鉆現象，且有不同程度噴孔現象，取樣實測此條帶最大瓦斯含量為11.44m3/t，遠高于該區域瓦斯等值線5m3/t。依據所測煤樣煤質指標分析，該區域煤的揮發分為15.37%,遠低于正常值23.14%，煤的揮發分越低，煤的變質程度越高，瓦斯含量越大。依據該礦在三采區軌道下山、三采區輸送機下山掘進過程中揭露上分層煤厚變化帶范圍推測，在該區域前方30～77m范圍煤層賦存發生變化，主要原因為煤層在成煤時因古河流沖蝕造成上分層煤層厚度變薄，其頂部沉積條件發生變化，沿方位347°向兩側延伸，而形成厚度不一的偽頂，局部出現軟分層，形成特殊的煤厚變化帶。依據后期局部防突單元所施工鉆孔分析，三采區回風下山沿中線前方30～54m為0.3～1.8m上分層煤層煤厚賦存變化帶，54～77m為上分層煤從0.3～1.7m的變化帶。受此影響，此區域瓦斯地質條件變化復雜，另據地形圖觀察，此區域礦井埋深在500～530m范圍內，瓦斯變化梯度大。

2.4 采取的措施

根據礦井編制的《三采區瓦斯治理設計》，該條帶共需布置瓦斯抽放鉆孔22個，但是通過超前鉆探已判定出該條帶存在地質異常帶，該礦及時對設計進行了優化，鉆孔由控制上部兩層煤改為控制三個煤分層，鉆孔由22個增設至37個。鉆孔施工完畢后，也對所施工超前鉆探孔期間所預測的地質構造帶進行了驗證和圈定。詳見圖1上分層鉆孔成果圖及圖2中間分層鉆孔成果圖，圖中陰影部分為異常帶。

圖1 上分層鉆孔成果圖

圖2 中間分層鉆孔成果圖

3 取得的效果

該礦在煤巷掘進工作面通過超前復合鉆探孔的施工，探明了隱伏構造帶，并及時采取措施，避免了瓦斯事故的發生。同時，利用同樣的方法探查出1301下順槽通尺100m左右隱伏的的正斷層，經取樣分析軟煤帶煤層瓦斯含量達到11.37m3/t，遠遠超過該區域瓦斯等值線中的6m3/t；探查出1301下順反掘巷通尺140m隱伏的背斜構造，經取樣分析背斜軸部煤層瓦斯含量達到9.33m3/t，遠遠超過該區域瓦斯等值線中的6m3/t。通過采取施工順層鉆孔預抽煤層瓦斯的區域防突措施，各瓦斯異常區的煤層瓦斯含量均降低到5m3/t以下，保證了巷道的安全掘進，取得的安全效益是無法估量的。

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