淺談高瓦斯礦井瓦斯分級治理工作

摘要：高瓦斯始終是現代礦井主要安全隱患，在掘進巷道施工過程中，為確保瓦斯可控，各個煤礦結合自身情況制訂了很多辦法，通過有效抽采、鉆孔釋放、CO2氣相壓裂等分級治理的方法，降低煤層瓦斯壓力和瓦斯含量，將高瓦斯、煤與瓦斯突出煤層變為低瓦斯、無煤與瓦斯突出危險，確保掘進作業的安全高效。

Abstract： High gas has always been a major safety hazard in modern mines. In the process of driving tunnels， in order to ensure that the gas is controllable， each coal mine has formulated a lot of methods in accordance with its own situation. They reduce gas pressure and gas content of coal seam through effective extraction， drilling release， CO2 gas fracturing and other grading treatment methods， and change the high gas， coal and gas outburst coal seam into low gas， no coal and gas outburst danger， to ensure the safety and efficiency of the tunneling operation.

關鍵詞：高瓦斯;分級治理;氣相壓裂;鉆屑解吸指標

Key words： high gas;graded treatment;gas fracturing;drill cuttings desorption index

中圖分類號：TD712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0072-03

0 ?引言

余吾煤礦目前為高瓦斯礦井，煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，煤質偏軟，放散初速度較大，煤層透氣性系數很低，鉆孔瓦斯流量衰減速度快，并隨著煤層埋深的增加，煤與瓦斯突出傾向性日益嚴重。隨著煤炭開采深度和開采水平的延伸，瓦斯災害的威脅日趨嚴重。為消除日益嚴峻的瓦斯災害局面，保障煤炭安全、高效生產，需要大力推動瓦斯治理工作。

1 ?瓦斯治理區域劃分

根據煤層瓦斯賦存情況，將瓦斯區域劃分為一級、二級、三級3個等級進行管理，各瓦斯區域界定如下：

1.1 一級瓦斯區域

1.1.1 煤層鉆屑解吸指標K1？叟0.5且瓦斯含量W？叟10m3/t，或風排瓦斯量Q風？叟10m3/min的區域。

1.1.2 地質構造瓦斯異常區

在煤巷掘進過程中，接近斷層、陷落柱、褶曲、煤層坡度變化大于5°或煤層性質產狀急變等地質構造區域，瓦斯涌出異常，則該地質構造前后30m為地質構造瓦斯異常區域。

1.1.3 瓦斯異常征兆區：邁步鉆場、掘進迎頭施工鉆孔及迎頭掘進過程瓦斯異常涌出，造成瓦斯超限的，該迎頭前方100m區域視為瓦斯異常征兆區。

1.2 二級瓦斯區域

煤層鉆屑解吸指標K1≥0.4，或瓦斯含量W≥8m3/t，或風排瓦斯量3m3/min？燮Q風<10m3/min，且瓦斯壓力P0<0.7MPa，且無瓦斯動力現象的區域。

1.3 三級瓦斯區域

煤層鉆屑解吸指標K1<0.4，且瓦斯含量W<8m3/t，且瓦斯壓力P0<0.7MPa，且風排瓦斯量Q風<3m3/min，且無瓦斯動力現象的區域。

2 ?區域瓦斯治理措施

2.1 一級瓦斯區域瓦斯治理措施

一級瓦斯區域采取正頭超前探、預抽鉆孔+邁步鉆場區域護幫預抽鉆孔+迎頭釋放孔措施。

2.1.1 正頭鉆孔布置參數

巷道迎頭共施工15個鉆孔，鉆孔成3排5列布置，排間距0.4m，各排鉆孔開孔高度分別為1.4m、1.8m、2.2m，并按列間距1m居中布置。巷道沿底板掘進時，6#、9#、12#鉆孔兼做地質超前探鉆孔使用，沿頂板掘進時4#、7#、10#鉆孔兼地質超前探鉆孔使用。鉆孔施工時，先施工地質超前探鉆孔，然后按鉆孔編號順序依次施工其余鉆孔。鉆孔施工參數如表1所示。

2.1.2 鉆場布置方式

工作面迎頭布置雙翼鉆場（若巷道內布置有鉆場，取距工作面最近鉆場和迎頭另一側新布置鉆場作為雙翼鉆場），正頭預抽鉆孔有效控制范圍內，巷道內按照步距50m（同幫鉆場間距100m）布置邁步鉆場，除工作面膠帶順槽回采側鉆場為內寬4m、外寬6m、深5m、與巷道等高的等腰梯形鉆場外，其余地點邁步鉆場規格均為內寬4m、外寬6m、深4m、高3.4m的等腰梯形鉆場。

2.1.3 鉆場內鉆孔布置參數

每個邁步鉆場內施工9個鉆孔，鉆孔按3排3列布置，鉆孔軌跡控制距巷幫0～20m區域煤體。各排鉆孔開孔高度距巷道底板分別為1.4m、1.8m、2.2m，最外列鉆孔距巷道壁2.5m，鉆孔列間距為0.5m。當巷道沿底板掘進時，9#鉆孔為超前探鉆孔;巷道沿頂板掘進時，7#鉆孔為超前探鉆孔。在鉆孔施工過程中，先施工超前探孔，然后按1#～9#的鉆孔編號順序依次其它鉆孔，且在新鉆場掘成之前，前一個鉆場內的鉆孔必須最少施工完成6個。在新鉆場施工完成，巷道掘進10m內，必須將前一鉆場鉆孔全部施工完成，并在新鉆場內開始施工鉆孔，保證掘進工作面有不少于20m長的超前護幫鉆孔。若由于地質異常，兩個鉆場間距不足50m，可安排兩個鉆場同時施工鉆孔。鉆孔布置參數如表2所示。

2.1.4 迎頭預抽效果判定

迎頭鉆孔施工完畢并聯網帶抽后，設置專人負責每天觀測一次瓦斯抽采數據并做好臺賬記錄。抽采部門根據累計抽采量，理論計算正頭殘余瓦斯含量，及時分析正頭預抽鉆孔抽采情況。再進行預抽效果檢驗，當最短抽采時間（最后一個鉆孔抽采時間）達到10天時，對工作面瓦斯參數測定一次，根據實測參數采取相應的措施，具體內容如下：

①若W實測<8m3/t、且K1<0.4、且風排瓦斯量Q風<3m3/min，則巷道迎頭抽采鉆孔方可回收，組織正常掘進;

②若測得K1<0.5、或瓦斯含量W<10m3/t、且風排瓦斯量Q風<10m3/min，則巷道迎頭抽采鉆孔方可回收，組織正常掘進，且每掘進7.2m正頭施工一次釋放孔掩護掘進，釋放孔按二級瓦斯區域正頭釋放孔布置;

③若測得K1值？叟0.5且瓦斯含量W？叟10m3/t、或風排瓦斯量Q風？叟10m3/min，則在巷道正頭按一級瓦斯區域施工釋放孔，正頭釋放24小時后，再次進行相關參數測定。若測得K1<0.5、或瓦斯含量W<10m3/t，且風排瓦斯量Q風<10m3/min，則巷道正常掘進，并在掘進過程中，根據參數所在區間范圍采取相應的釋放孔措施。否則繼續釋放24小時后再次進行相關參數測定，直至參數符合要求方可掘進。連續3次測量參數超標，抽采部門分析迎頭預抽鉆孔抽采純流量。若抽采純流量衰減嚴重（純流量衰減30%），則回收迎頭預抽鉆孔，組織掘進，巷道兩側布置邁步鉆場，且每掘進7.2m正頭按一級瓦斯區域施工一次釋放孔掩護掘進。

掘進工作面若恢復掘進，工作面允許掘進距離為有效鉆孔深度H-30m（工作面有效鉆孔深度H為半數及以上長鉆孔中，孔深較淺鉆孔的深度）。

2.1.5 迎頭釋放孔補充措施

進行措施效果檢驗后，根據檢驗結果，在巷道迎頭采取相應的釋放孔補充措施。

一級瓦斯區域釋放孔布置參數如下：釋放孔根據工作面巷道斷面按每平方米2個（如5.4*3.8巷道尺寸，釋放孔分4排10列布置，各排開孔高度離巷道底板距離分別為1.0m、1.6m、2.2m、2.8m，排間距為0.6m，列間距0.5m，其它巷道斷面按此種布置方式進行適當調整）進行施工，鉆孔直徑為65mm，深度為15m。

2.1.6 措施效果檢驗

工作面采取迎頭預抽鉆孔措施而正常掘進過程中，在迎頭抽采鉆孔有效控制范圍內，每掘進7.2m（地質異常區每掘進6m以內）測一次K1、S值，每掘進30m（地質異常區20m）測一次瓦斯含量，并每日監測工作面有無瓦斯動力現象及工作面風排瓦斯量Q風。掘進距離超出抽采鉆孔有效控制范圍時，進行瓦斯區域判定，并采取相應區域措施掩護掘進。

2.2 二級瓦斯區域瓦斯治理措施

二級瓦斯區域采取邁步鉆場區域條帶護幫預抽鉆孔+正頭氣相壓裂+正頭釋放鉆孔措施。

2.2.1 邁步鉆場布置方式

掘進期間，巷道內按照步距50m（同幫鉆場間距100m）布置邁步鉆場，掘進膠帶順槽時，工作面回采側鉆場為內寬4m、外寬6m、深5m、與巷道等高的等腰梯形鉆場;工作面外側鉆場為內寬4m、外寬6m、深4m、高3.4m的等腰梯形鉆場，其他巷道鉆場內寬4m、外寬6m、深4m、高3.4m的等腰梯形鉆場。

2.2.2 邁步鉆場內鉆孔布置參數

每個邁步鉆場內施工6個鉆孔，鉆孔成3排2列布置，鉆孔軌跡控制距巷幫0～20m范圍內約6m厚的全層煤體。各排鉆孔開孔高度距巷道底板分別為1.4m、1.8m、2.2m，最外列鉆孔距巷道壁2.5m，最里列鉆孔距鉆場內壁0.5m（膠順回采工作面側為2m）。當巷道沿底板掘進時，6#鉆孔為超前探鉆孔;巷道沿頂板掘進時4#鉆孔為超前探鉆孔。在鉆孔施工過程中，先施工超前探孔，然后按1#～6#的鉆孔編號順序依次其它鉆孔，且在新鉆場掘成之前，前一個鉆場內的鉆孔必須全部施工完成。若由于地質異常，兩個鉆場相距不足50m，可安排兩個鉆場同時施工鉆孔。在新鉆場施工完成，巷道掘進10m內，新鉆場內必須開始施工鉆孔，鉆場與正頭CO2預裂平行作業時，工作面在距離鉆場20m范圍內開鉆，保證掘進工作面有不少于20m長的超前護幫鉆孔。鉆場內鉆孔布置如表3所示。

2.2.3 迎頭CO2氣相壓裂鉆孔布置參數

工作面瓦斯含量W≥9m3/t（以最新測的含量作為評判依據），巷道每掘進50m，在正頭依次施工1個CO2氣相壓裂鉆孔，鉆孔方位與巷道中線一直，傾角與煤層傾角一致，鉆孔開孔位置距巷道底板高度為1.5m，鉆孔位于巷道水平中間位置。鉆孔直徑為113mm，鉆孔深度為80m，允許掘進距離為50m。若打鉆異常，不能打至設計深度，則根據實際孔深組織壓裂。CO2氣相壓裂鉆孔用作超前探時，允許掘進距離為：鉆孔深度-30m;不視作超前探時，允許掘進距離為：實際壓裂距離（即鉆孔內實際裝的壓裂桿的長度）。進行CO2氣相壓裂的工作面，連續兩次測得含量<9m3/t，工作面方可取消CO2氣相壓裂。

為了便于氣相壓裂施工，CO2氣相壓裂鉆孔必須用麻花鉆施工;在正頭進行地質構造詳細探測時，為了減少鉆孔軌跡偏差，必須光面鉆桿配75～94mm鉆頭進行施工。

2.2.4 迎頭CO2參數氣相壓裂施工參數

CO2氣相壓裂鉆孔施工完成后，在鉆孔內進行CO2氣相壓裂。

2.2.5 二級瓦斯區域迎頭釋放孔布置參數

工作面掘進過程中，每掘進7.2m，必須采取正頭釋放孔瓦斯治理措施，釋放孔分4排7列布置，各排開孔高度離巷道底板距離分別為1.0m、1.6m、2.2m、2.8m，排間距為0.6m，列間距0.7m。釋放孔的孔徑為65mm、孔深15m，允許掘進距離為7.2m。

2.2.6 措施效果檢驗

工作面采取措施后，向前掘進過程中，每30m（地質異常區20m）測一次瓦斯含量，每掘進7.2m（地質異常區每掘進6m以內）測一側K1、S值，并每日監測工作面有無瓦斯動力現象及工作面風排瓦斯量Q風。

2.3 三級瓦斯區域瓦斯治理措施

掘進工作面每日監測有無瓦斯動力現象，并根據瓦斯探頭數據計算工作面瓦斯涌出量;每30m測一次瓦斯含量、鉆屑解吸指標K1、S值。

工作面掘進過程中，必須按上述規定測定相關數據，各參數符合要求方可繼續組織掘進。為了提前對工作面回采時裂隙帶鉆孔打設做準備，掘進順槽時，需要在回采面側每100m布置一個鉆場作為裂隙帶抽采鉆場。鉆場規格為內寬4m，外寬6m，深5m與巷道等高的等腰梯形鉆場。

3 ?區域瓦斯等級轉換

3.1 區域瓦斯等級由低向高轉換

當三級瓦斯區域升級為二級（一級）瓦斯區域時，在工作面迎頭兩側布置雙翼鉆場，工作面一側鉆場鉆孔深度為140m，另一側鉆場鉆孔深度為90m，作為超前探的鉆孔另外增加2m。當工作面掘進50m時，在工作面短孔側施工鉆場并按照二級瓦斯區域要求施工抽采孔，隨后按照50m施工邁步鉆場。

當二級瓦斯區域升級為一級瓦斯區域時，在距工作面最近鉆場內施工9個鉆孔，同時在工作面迎頭另一側布置鉆場，并按照一級瓦斯區域在工作面正頭及鉆場內打設抽采孔進行預抽。向前掘進時，繼續按照50m施工邁步鉆場。

3.2 瓦斯管理等級由高向低轉換

一級瓦斯區域降級為二級瓦斯區域：在掘進作業過程中，一級瓦斯區域采取措施允許掘進后，在本次迎頭預抽鉆孔有效控制范圍內，所測瓦斯含量均滿足W<10m3/t、且每掘進7.2m所測K1值均滿足K1<0.5、且每日風排瓦斯量Q風<10m3/min、且掘進過程無瓦斯動力現象，則巷道掘進距離超出迎頭預抽鉆孔有效控制范圍時，區域瓦斯等級由一級瓦斯區域降級為二級瓦斯區域。

二級瓦斯區域降級為三級瓦斯區域：在掘進作業過程中，二級瓦斯區域采取措施允許掘進后，迎頭超前探控制掘進距離范圍內，所測瓦斯含量均滿足W<8m3/t、且每掘進7.2m所測K1值均滿足K1<0.4、且每日風排瓦斯量Q風<3m3/min、且掘進過程無瓦斯動力現象，則巷道掘進距離超出迎頭超前探控制范圍時，區域瓦斯等級由二級瓦斯區域降級為三級瓦斯區域。

4 ?結語

為了保證掘進作業在瓦斯治理措施允許掘進范圍之內，掘進隊組自主建立井下瓦斯治理措施掘進循環臺賬、掘進循環標記;安全員、瓦斯員現場監督，并將每班掘進工作面距循環標記點距離匯報各自調度;業務科室不定期對各工作面進行抽查。通過采取掘進工作面瓦斯分級治理方法，特別是氣相壓力技術、工作面釋放孔、邁步鉆場技術配合使用，對今后瓦斯治理工作具有深遠的意義。

參考文獻：

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作者簡介：劉海濤（1981-），男，山東滕州人，本科，工程師，從事煤礦建設、通防瓦斯抽采、工程地質測量工作研究。