基于突出煤層區域防突技術研究

柴昊昊

(山西晉能集團三元煤業股份有限公司,山西 長治 046000)

在煤巷掘進過程中,科學合理地利用防突技術,不僅可保證煤炭的產量、提高采煤速度,而且在很大程度上可降低“夾鉆”“噴孔”等事故發生概率。在高突礦井應重點注意和加強防突工作,在采掘過程中只有保證順暢的工作系統、足夠的斷面、充足的風量和固定的工作設施,才能保證煤礦的安全生產,最大程度地實現消突目標并顯著提高掘進工效[1]。煤礦的突出危險性會隨著開采深度的增大而逐漸增加,應根據煤礦的實際情況,采取最佳措施進行防突。在研究分析了煤礦防突常見問題和關鍵性技術的基礎上,分析了賀西煤礦三采區采用區域防突鉆孔措施的應用效果[2-11],準確地預測突出危險性是煤礦生產防突工作中最重要的環節。對突出危險性的準確有效預測,可為消除突出提供有效的時機并提高安全生產的概率[12]。

1 采區概況

在三采區標高+520 m處采集煤樣測定的瓦斯含量,測得3#煤層最大瓦斯含量12.9 m3/t,最大瓦斯壓力2.2 MPa,瓦斯放散初速度16.5 mmHg,煤的堅固性系數為0.22,煤的破壞類型正常區域內為Ⅱ-Ⅲ類,地質構造帶內為Ⅳ-Ⅴ類;測得4#煤層最大瓦斯含量為11.8 m3/t,最大瓦斯壓力為1.8 MPa,瓦斯放散初速度17.6 mmHg,煤的堅固性系數0.21,煤的破壞類型正常區域內為Ⅱ-Ⅲ類,地質構造帶內為Ⅳ-Ⅴ類。2018年賀西煤礦絕對瓦斯涌出量73.72 m3/min,相對瓦斯涌出量14.07 m3/t為煤與瓦斯突出礦井。

2 防突設計原理及依據

預抽煤層瓦斯時地面鉆井抽采應作為首選措施,地面鉆井將區域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后,再采取井下抽采措施,通過井上下聯合抽采降低煤層瓦斯含量和實現消突目的。

堅持區域防突措施先行,局部防突措施補充的防突原則。凡是具備保護層開采條件的突出煤層,必須先開采保護層卸壓消突。3#煤層的突出危險強度大于4#煤層,根據保護層選擇的原則弱突出煤層保護強突出煤層,應選取4#煤層做為保護層,但由于3#煤層在4#煤層的上部,間距僅13 m左右,先行開采4#煤層將對3#煤層造成破壞,故將4#煤層作為保護層開采不利于資源回收,所以賀西煤礦應采用預抽煤層瓦斯作為3#、4#煤層的區域性防突措施。

3 防突設計和布置

3.1 地面鉆井瓦斯抽采

汾西礦業集團與晉煤藍焰煤層氣合作在井田深部設計施工了部分地面鉆井,根據統計,設計地面鉆井共87口,截止2019年8月共施工鉆井68口,其中三采區9口,壓裂鉆井6口,封井1口,每口井日抽采量為400 m3。

3.2 預抽煤層瓦斯

1)三采區大巷均已成形,不再對大巷開拓采取區域防突措施。

2)掘進工作面瓦斯預抽消突。三采區深部突出危險掘進工作面采用千米鉆機順層長鉆孔遞進掩護式預抽煤巷條帶瓦斯的方式掩護預抽順槽條帶瓦斯。

三采區3#、4#煤層屬較難抽放—可以抽放煤層。采區內3#、4#煤層應同時預抽,對3#、4#煤層進行一次性消突。預抽3#、4#煤層條帶瓦斯時,應在3#、4#煤層已掘順槽中布置順層長鉆孔抽放下一段條帶煤層瓦斯,根據實際考察的有效抽采半徑確定鉆孔間距情況選取抽放參數,鉆孔間距取15 m,長度至少控制本工作面及下一區段順槽上幫15 m,鉆孔孔徑Φ96 mm,封孔深度應不小于8 m,封孔管直徑大于50 mm,以保證抽放效果,抽放達標后再進行順槽掘進,見圖1。

圖1 順層長鉆孔遞進掩護式煤巷條帶瓦斯預抽

3)工作面(回采區域)瓦斯預抽消突。賀西礦三采區3#、4#煤層工作面順槽相對較長,采掘抽接替時間短,地質條件簡單,工作面跳采不嚴重,具備順層預抽條件,因此三采區回采工作面同樣選擇千米鉆機順層長鉆孔遞進掩護式預抽工作面(回采區域)瓦斯作為區域防突措施。

在工作面(回采區域)一側順槽內利用千米鉆機布置順層長鉆孔預抽本工作面(回采區域)瓦斯以及下一區段一個順槽條帶瓦斯,鉆孔長度控制該下一工作面(回采區域)順槽上幫15 m,封孔深度應不小于8 m,鉆孔直徑Φ96 mm,終孔間距15 m,見圖2。

圖2 順層長鉆孔遞進掩護式預抽工作面(回采區域)瓦斯

4)滿足防突要求后的工作面加強抽采措施。形成工作面后,在回采區域一側的順槽內布置順層鉆孔預抽工作面瓦斯。

鉆孔長度應控制在工作面順槽卸壓范圍外(建議預留20 m卸壓范圍帶),封孔深度應不小于8 m,封孔管直徑不小于50 mm,鉆孔直徑Φ96 mm,終孔間距5 m，如圖3所示。

圖3 順槽順層鉆孔預抽工作面瓦斯

另外,在三采區采掘過程中應特別注意4#上煤層的消突措施,4#上煤層平均厚度只有0.76 m,賦存不穩定,不進行回采,但距上部的3#煤層層間距為1.22 m～16.10 m,距下部的4#煤層0～10.28 m,故在4#上煤層距上下煤層間距小于7 m的賦存區域應采取與3#、4#煤層相同的消突措施,對3#、4#上、4#煤層應一次性消突,保證生產安全。根據煤層賦存情況,對于4#上煤層賦存區域設計利用4#煤層工作面順槽施工上向千米順層鉆孔模塊預抽4#上煤層瓦斯,施工方式見圖4。4#上煤層瓦斯基礎參數參照3#、4#煤層的瓦斯基礎參數進行設計,設計鉆孔間距取15 m,長度至少控制下一區段超出上下部3#、4#煤層工作面順槽15 m,鉆孔孔徑Φ96 mm,封孔深度應不小于8 m,封孔管直徑大于50 mm,以保證抽放效果。預抽后應將4#上煤層含量降到7 m3/t以下、煤層瓦斯壓力0.74 MPa以下。

圖4 順層長鉆孔預抽4#上煤層瓦斯

4 結果分析及區域驗證

4.1 結果分析

工作面掘進期間測定煤層殘存瓦斯含量,采區預抽煤層瓦斯時地面鉆井抽采措施控制區域內的煤層殘存瓦斯含量為5.6 m3/t～6.5 m3/t,較原始瓦斯含量降低了6.4 m3/t～7.3 m3/t、降低了46%～60%。實施預抽煤層瓦斯區域防突技術后,煤層殘存瓦斯含量指標值均小于《防治煤與瓦斯突出規定》的臨界指標值(殘存瓦斯含量臨界值為7 m3/t),且在施工驗證鉆孔過程中無頂鉆、卡鉆、噴孔等突出預兆,均達到了預期消突的目的。具體抽采情況如表1所示。

表1 瓦斯抽采情況

4.2 區域驗證

效果檢驗指標采用殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標,其臨界值為煤層殘余瓦斯壓力0.74 MPa、殘余瓦斯含量7 m3/t。區域防突措施效果檢驗參數如表2所示。

表2 區域防突措施效果檢驗參數表

效果檢驗前必須先評判檢驗區域的瓦斯預抽效果情況,必須經預抽率計算殘余瓦斯含量Wc<7 m3/t,方可布置效果檢驗測試點,施工效果檢驗鉆孔直接測定煤層殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標。

1)區域預抽采掘工作面,必須經預抽率計算殘余瓦斯含量Wc<7 m3/t,布置效果檢驗測試點,施工效果檢驗鉆孔直接測定煤層殘余瓦斯壓力和殘余瓦斯含量指標值。

2)區域抽采達標評判。評判區域經預抽率計算殘余瓦斯含量Wc<7 m3/t后,效果檢驗鉆孔直接測定煤層殘余瓦斯壓力Pc<0.74 MPa和殘余瓦斯含量Wc<7 m3/t以及檢驗鉆孔施工過程中無噴孔、頂鉆等其他異常現象時,可評判為區域抽采效果達標,賀西煤礦三采區3#、4#煤層采煤工作面為無突出危險區。有效降低了巷道掘進時瓦斯涌出量,工作面瓦斯濃度控制在限定標準值以下,所檢查區域的瓦斯殘余量和瓦斯壓力符合開采要求,保證了生產的安全進行,無突出危險,實現了巷道安全快速掘進。

5 結論

1)賀西礦三采區3#和4#煤層工作面的現場實踐,對三采區實施的地面鉆井瓦斯抽采措施,實際應用效果表明,煤礦預抽采瓦斯可以一定程度降低突出危險。降低了工作面瓦斯涌出量,消除了掘進煤層煤與瓦斯突出危險性。

2)對賀西礦三采區3#和4#煤層工作面采取井下抽采措施,在地面鉆井將區域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后,再采取井下抽采措施,通過井上下聯合抽采降低煤層瓦斯含量,區域防突效果顯著,實現消突目的。