特厚火成巖下煤層掘進煤與瓦斯防突防治技術實踐

張朝川 尚 海

（鐵法煤業（集團）大興煤礦，遼寧 調兵山 112700）

N1708 工作面掘進期間瓦斯頻繁超限，掘進過程中工作面瓦斯傳感器多次達到1.5%，工作面經常斷電，嚴重影響工作面正常掘進。通過每循環掘進前對掘進工作面兩幫施工抽采硐室，采取邊抽邊掘的方式，控制掘進前方巷道兩幫動壓瓦斯；在工作面施工前及施工過程中采取煤層區域及局部動態施工鉆孔注水的方式，使掘進前方煤體保持濕潤，增加透氣性，消除或降低煤層的突出危險；同時加大抽放負壓、增加鉆孔數量及抽放時間、提高封孔質量；通過綜合防突技術的應用可以有效降低掘進工作面前方瓦斯賦存含量，保證掘進工作面瓦斯傳感器降到0.7%以下，確保掘進工作順利進行。

1 工作面概況

N1708 工作面全處于北一采區南部，且7-2 煤層頂板與4-2 煤層底板之間有大面積火成巖床侵入為巖蓋區，本工作面火成巖侵入較為嚴重。實測瓦斯壓力已達0.85MPa，且瓦斯含量高，該區域為突出危險區，瓦斯動力現象嚴重。根據地質鉆孔情況看，火層巖主要以巖床形式侵入，呈現出南北薄中部厚的趨勢，中部最厚為74.81m，917 號地質鉆孔實見。從666 號地質鉆孔資料看，火成巖局部有可能侵蝕7-2 煤層，使煤層變薄或形成天然焦。根據該區地質鉆孔分析N1708工作面運順側火成巖對煤層的影響較嚴重。

2 工作面突出危險性預測

該區域7-2 煤層頂部發育一大型火層巖床，煤層變質較嚴重，且掘進七層軌道中巷時，工作面指標Δh2（濕煤樣）最大值為182Pa，最大鉆屑量Smax 為5.8 L/m，所以該區域為突出危險區。

3 綜合防突技術

3.1 邊抽邊掘施工工藝

在掘進工作面每循環施工區域防突鉆孔的巷道兩幫各增加一個抽放鉆場。工作面及兩幫鉆場同時施工區域措施鉆孔，當區域效果檢驗合格后，工作面正常掘進，但巷道兩幫鉆場控制巷道掘進輪廓線以外的鉆孔繼續保持預抽狀態。當工作面向前掘進時，產生動壓使巷道兩幫鉆場鉆孔攔截了部分巷道周邊煤體涌出的瓦斯，降低了風流中瓦斯的濃度，杜絕了瓦斯超限現象。

巷道掘進每40m 為1 個循環，即在巷道兩幫每隔40m 施工2 個對稱鉆場，鉆場規格4m×3m×3.5m（長×寬×高）。每個鉆場施工6 個鉆孔，迎頭施工12 個鉆孔，孔深60m，孔徑94mm。鉆孔施工完畢采用聚氨酯封孔，封孔深度不低于10m。鉆場鉆孔每天24h 不間斷抽放，迎頭鉆孔至少抽放48h。

3.2 區域措施鉆孔高壓注水及局部防突鉆孔靜壓注水工藝

3.2.1 高壓注水工藝

掘進工作面每循環施工區域措施孔之前，在工作面先施工6 個注水孔使用4、6 分管水泥封孔，對工作面前方煤層進行高壓注水，注水以煤壁大量出水為標準，且不小于1 小時。煤層通過高壓注水后再施工順層鉆孔，從而增強鉆孔透氣性，提高瓦斯抽采效率。

注水鉆孔深度：以區域措施鉆孔控制巷道輪廓線原則為基準，注水鉆孔孔深一般為40m～60m 之間。

施工注水鉆孔孔徑：Ф94mm。

注水壓力：采用泵壓注水，清水泵的泵壓控制在8-10MPa 之內，10MPa 為掘進期間最適宜壓力，最小注水壓力不得小于6MPa。

單孔注水時間：一般為間歇性注水5 分鐘一次，實際單孔注水時間以煤壁出水時為準。

高壓注水注意事項：

（1）施工完注水鉆孔后，必須采用壓風將孔內煤渣吹凈。

（2）孔內使用4、6 分管水泥封孔長度不小于15m。

3.2.2 靜壓注水工藝

當區域措施執行后，經驗證合格，從工作面掘進開始，每一掘進循環執行靜壓注水措施，實施注水措施的鉆孔采用膠囊封孔器注水。對工作面前方煤層進行靜壓注水，注水以煤壁大量出水為標準，且不小于30 分鐘。煤層通過靜壓注水后再進行掘進，可減少工作面掘進時的煤塵產生，還可減少沖擊地壓、煤與瓦斯突出和自然發火。

注水鉆孔深度：以工作面施工局部突出危險性預測鉆孔深度為標準，注水鉆孔孔深一般為8m～12m 之間。

施工注水鉆孔孔徑：Ф76mm。

膠囊封孔器外徑：Ф69mm。

注水壓力：采用靜壓注水，掘進期間最適宜注水壓力為3 MPa～6MPa。

注水時間：單孔注水時間為30 分鐘，也可用多個膠囊封孔器同時對多個鉆孔進行注水。

靜壓注水注意事項：

（1）將膠囊封孔器插入鉆孔內，其末端距孔口距離不小于200mm。

（2）注水時，為了防止未注水的相鄰鉆孔因受壓產生變形，每個鉆孔都應預先插入膠囊封孔器。

3.3 加大抽放負壓、增加鉆孔數量及抽放時間、提高封孔質量

由于N1708 工作面煤層透氣性較低，不利于瓦斯抽放。為了更好地達到瓦斯預抽效果，提高瓦斯抽采率，將工作面抽采負壓提高至100mmHg 以上，同時增加了工作面迎面鉆孔數量及孔徑，施工鉆孔直徑由原來的Ф94 改為Ф115。措施孔全部施工完畢后預抽時間不少于48 小時。如用聚氨酯膠封孔不理想，為了滿足封孔的嚴密性，也可使用水泥封孔，采用“兩堵一注”的方式進行封孔，選用4 分、6 分鐵管與聚氨酯膠，第一道膠封到距孔口位置12m 處，第二道膠封到孔口位置，然后使用水泥封孔泵將拌好的水泥注入封孔段。

4 綜合防突效果驗證

4.1 邊抽邊掘施工工藝效果分析

從2014 年4 月到2015 年2 月，北一708 掘進工作面累計抽放瓦斯5.21×105m3，平均每分鐘抽放0.8m3，工作面抽放率達19.3%。

由于鉆場鉆孔攔截了部分巷道周邊煤體涌入巷道的瓦斯，大大降低了風流中的瓦斯濃度，杜絕了瓦斯超限現象。2014 年1～3 月，在未實施邊抽邊掘技術時，共發生瓦斯超限8 次，瓦斯濃度最高達到5%，正常情況下瓦斯濃度也達到0.8%。在采取邊抽邊掘措施后，瓦斯濃度最高不超過0.7%，正常情況下為0.5%，如圖1 所示。

圖1 瓦斯濃度觀測示意圖

通過抽放，使煤體的物理力學性質得到改變，應力集中帶前移，增加了迎頭前方煤體的卸壓帶寬度和透氣性，降低了發生突出的動力即瓦斯壓力和地應力。

4.2 掘進工作面高壓注水及靜壓注水效果分析

在工作面局部突出危險性預測方法中，鉆屑量Smax是煤與瓦斯突出危險性預測和效果檢驗指標之一。鉆屑量綜合反映了工作面前方的地應力和瓦斯壓力，在相同煤層和相同孔徑條件下，鉆屑量取決于工作面前方煤體地應力和瓦斯壓力，但瓦斯壓力對鉆屑量的影響比地應力要小得多，因此，鉆屑量的變化反映了地應力的分布狀態。

表1 區域措施鉆孔施工參數及注水前后單孔出貨量參數表

通過對掘進工作面高壓注水前后施工鉆孔的鉆屑量統計對比。對比結果可以看出，通過高壓注水后掘進工作面的集中應力帶都出現了后移，注水前，鉆屑量在工作面前方3m 處出現最大值，注水后在4m 處出現最大值，說明經高壓注水，煤巷掘進工作面的卸壓帶長度由注水前3m 增加到注水后的4m，應力集中帶后移1m，掘進工作面安全屏障提高1.3%。

靜壓注水是工作面最有效的防塵措施之一，工作面采用靜壓注水，由于靜壓注水為淺孔注水，可有效增加煤層的含水量。實踐證明，實施煤層靜壓注水不但能有效減少工作面煤塵的產生，而且能夠減少沖擊地壓、煤層自然發火等自然因素的發生。

5 結語

大興煤礦由于煤層賦存情況復雜，掘進范圍內經常遇到火成巖或斷層侵入，且隨著采掘深度的增加，礦井瓦斯含量和瓦斯壓力也逐漸增大，煤與瓦斯突出危險性加劇，且煤層透氣性差預抽效果不好。因此，掘進期間必須根據實際情況采取多種綜合防突措施。

利用邊抽邊掘工藝，一般主要針對巷道絕對瓦斯涌出量大的問題起到巷幫截流的作用，只能當抽放措施而不是防突措施用。

利用區域及局部防突鉆孔注水工藝，特別是火成巖侵入較為嚴重的煤層，由于煤層變質程度較高透氣性較低，通過鉆孔注入壓力水，濕潤煤體，煤體透氣性增加，瓦斯充分釋放，起到消突作用，同時使工作面前方煤體應力集中帶后移，大大提高了掘進工作面施工安全系數。

通過以上綜合防突措施的應用，同時加大抽放負壓、增加鉆孔數量及抽放時間、提高封孔質量，從而保證掘進工作面順利掘進。