桑樹坪二號井難抽采煤層瓦斯突出特征與防治

遲躍彬,褚俊潔,賈京飛,劉 帥

(陜西陜煤韓城礦業有限公司桑樹坪二號井,陜西 渭南 715400)

0 引言

我國二疊-石炭系煤田以瓦斯礦山為主,其突出問題已經嚴重制約了煤炭資源的開發和利用[1-3]。目前對煤礦瓦斯突出的預報和預警已經進行了大量研究,形成了大量的預警預測模型和體系,在部分礦井也建立了預警監測系統,但是對于瓦斯突出防治方面的技術仍然缺少較為系統的研究[4-6]。保護層-煤體協同開采是當前國際上公認的預防煤與瓦斯突出的有效手段,而我國大部分礦井都不具有保護層開采的條件,大多依靠對煤層進行預抽采來降低采動過程中的突出風險[7-9]。

目前已知的預抽方法有多種,其效果與煤巖體的滲透系數、鉆孔布置、封孔工藝、成孔效果、預抽時間等因素有關,要想從根本上杜絕煤與瓦斯突出問題需要合適的預抽方法[10-11]。為此,以桑樹坪二號井3號難抽采煤層為工程背景,通過對該礦井瓦斯賦存特征、影響因素和防治措施的分析,以期為進一步防治該礦井的突出災害提供依據,同時為渭北煤礦及國內類似煤礦的安全生產提供借鑒。

1 工程概況

桑樹坪礦井地處韓城礦床的北緣,煤層傾角為5°左右,地質構造屬伸展構造。大部分區段的地層傾角發生了較大的改變,并有向斜、擾曲和層滑等多種類型的構造。3號煤層位于山西組中、下段,煤層平均厚度為6 m,構造相對單一,3號煤層的含水量平均為0.99%,屬于低灰-中等灰的煤種,總揮發分為16.56%。在較低溫度下,煤的基本熱值為33.35 MJ/kg。3號煤層屬近水平煤層,標高為+197～+458 m,瓦斯含量為3.06～13.49 m3/t,平均為7.67 m3/t,煤的最小堅硬系數為0.1,透氣系數為0.018 8～0.027 3 m2/(MPa2·d),透氣性差,屬難抽采煤層。桑樹坪二號井11號煤層的瓦斯含量波動較大,波動范圍在3.41～19.07 m3/t,瓦斯含量以3～7 m3/t為主,占60.1%。其中,中、高瓦斯點最多,中瓦斯級點占總瓦斯級的55.9%,低瓦斯級點占42%,富、高瓦斯級點占2.1%。

礦井從北到南,共分為北二、北一、南一3個采區。北二采區開采走向為2～3 km,傾向為1.5～2.2 km,采區的長度在120～170 m,采用傾斜長壁和走向長壁2種形式布置。該礦在防治瓦斯方面,始終堅持以開采保護層為主,近年來,對2號煤層做上保護層、11號煤層做下保護層進行了試驗研究,并獲得了較好的技術應用效果。隨著開采的進行,因2號煤層上部保護層局部變薄,無法采出,而下部11號煤層含硫量較高,又面臨底板奧灰水的威脅,無法采出,3號煤層開采時無法再進行保護層開采。

2 桑樹坪煤礦難抽采煤層瓦斯突出特征

從1978年10月7日—2019年12月,桑樹坪煤礦已累計出現了123次不同類型的瓦斯突出。比較典型的突出事件有2次。第一次突出發生在南一采區+370輸送中巷5號溜煤眼,其暴露范圍為0.8 m2,煤體約40 t,導致1人喪生2人受傷;最嚴重的一次突出事件發生在2015年7月6日凌晨5時56分,位于3314綜采聯絡巷,瓦斯突出量達到了11 232 m3,突出煤體約為520 t,導致4人喪生,直接財產損失近千萬元。

通過對有關數據的梳理和分析,發現目前只有3號煤層發生突出事故,2號和11號煤層以前沒有出現過,推測與煤層賦存的深淺有關;桑樹坪礦區瓦斯突出類型主要有突出、壓出、傾出,其中以壓出型居多,達67次,占比55%。其中突出44次,占比45%,這說明該礦井的突出動態過程主要是由地應力引起的,其次是由煤層瓦斯壓力引起的;突出程度較輕,多為中小規模,在123次的突出中,有119次的突出煤體在500 t以下,占比98.4%,其中發生了2次超過500 t的煤體突出,占比僅1.6%。從突出位置來看,煤巷居多,其數量占比約為75%,工作面和石門的突出占比僅為20%和5%,并且煤巷中出現了一些延遲的突出,突出無規律。各個采區內均出現過突出現象,并主要位于地質異常區。大部分的突出預兆較為顯著,這也是該礦的一大特征;其預兆可分為2類,一類為聲音類,如劈裂聲,雷鳴,煤炮轟鳴,煤巖壁搖晃崩塌,棚柱斷裂,瓦斯間歇噴射,嘶嘶作響等;另一類為無聲,包括煤壁外鼓、頂板下沉、氣溫降低等。

3 桑樹坪煤礦防突措施

3.1 南一采區區域防突措施

3.1.1 保護層開采措施

3號煤層采用保護層與卸壓瓦斯抽采相配合的方法。在工作面底板法向距離20 m處,設置1條巖巷,該巷道大致處于工作面中間部位。巖巷中每隔40 m設置一個鉆場,鉆場上打穿層孔,預抽煤巷條帶上的瓦斯,鉆進3號煤層工作面兩順槽及切眼巷道圍界外側15 m以上。鉆孔按走向布置,間排距為20 m×20 m,直徑為φ94 mm,封孔的深度不低于12 m,排列方式如圖1所示。

圖1 鉆孔布置

3.1.2 后期不再開采保護層

后期不再開采保護層,主要在底板巖石巷道中施加貫穿巖層鉆孔預抽采瓦斯,包括在上區段3號煤層的順槽中鉆孔,鉆孔直徑94 mm,位置位于順槽廓線外15 m。在3號煤層的底部20 m處設置順槽和切眼底瓦斯抽采巷,形成全風壓通風。順槽底板巷內錯順槽20 m,切眼底板巷正對切眼布置。在順槽底板巷中,采用水力沖孔法將煤巷中的條帶瓦斯預先抽出;在切眼的底板巷中,采用穿層鉆孔將煤巷中的條帶瓦斯預先抽出。鉆孔控制范圍為巷道周邊15 m左右,鉆孔的方式為三花式,孔距為6 m×6 m,鉆孔布置如圖2所示。

圖2 兩順鉆孔、切眼鉆孔布置示意

順槽掘進時采用順層交叉鉆孔對回采區內的瓦斯進行預抽,鉆孔間距由煤層厚度和抽采半徑決定,鉆孔位置在停采線20 m以外,鉆孔孔徑為φ94 mm,穿層鉆孔孔深10 m,順層鉆孔15 m。在回采過程中同時采用高位鉆孔預抽采空區瓦斯,防止采空區積聚瓦斯導致上隅角瓦斯超限。

3.2 北一采區區域防突措施

北一采區僅有3號煤層進行了回采,留下4321和4322這2個回采工作面未進行回采。4321采面在上區段煤層的順層鉆孔中進行預抽采,以保證回順巷道的順利掘進,在底板的穿層鉆孔中進行預抽采,降低運順條帶和回采區域瓦斯,以保證回采的順利進行。

3.2.1 煤巷上區段順層鉆孔預抽防突措施

在4319風巷一幫鉆順層鉆孔。孔位距離4319回順段的底板溜煤眼30 m,高度1.5 m,仰角6°,偏角5°,孔距3 m,深度50 m,在4321回風巷以外15 m以上。

3.2.2 底板穿層鉆孔預抽防突措施

在3號煤層底部20 m處,分別設置了運順和切眼底板的瓦斯抽采巷,采用全風壓通風。運順切眼底板巷全部沿煤巷方向排列。為保護上部煤巷的安全,鉆孔采用水力沖孔法,以三點式排列,孔距為6 m×6 m,如圖3所示。通過對順層鉆井的研究發現,在采煤面上300 m以內的鉆孔沒有達到設計標準,在運順側的孔深為40 m,在回順側的孔深為50 m,在中間有80 m左右沒有鉆孔,形成了一個空區。結合礦井實際,確定通過穿層鉆孔預先抽采方法來處理空區瓦斯突出問題。

圖3 鉆孔布置剖面示意

3.2.3 兩順層鉆孔預抽回采區域瓦斯

順槽開挖時,在兩順層上布置交叉鉆孔,對回采區域煤層進行預先抽采,鉆孔的間距由煤層厚度和抽采半徑決定,鉆孔位置在停采線20 m以外,鉆孔孔徑為φ94 mm,穿層鉆孔孔深10 m,順層鉆孔孔深15 m。在回采過程中邊采邊抽,其中順層鉆孔預抽掩護回順開挖,穿層鉆孔預抽降低運順條帶和回采區域瓦斯。

3.3 局部綜合防突措施

3.3.1 煤巷掘進工作面局部綜合防突措施

從桑樹坪礦區的實際條件出發,使用直徑φ94 mm的抽放鉆孔,在開采面上進行深孔抽放,其孔深控制在巷道掘進面前17 m,最后孔位控制在巷道口兩側輪廓線外5 m以內。圖4為超前排放鉆孔的排列情況。在完成全部的排放鉆孔,并且滿足排放時間之后,還要對各項措施的效果進行檢測。如檢測指標超過了標準,需要對其進行補充(補孔、延長抽采時間等),直到瓦斯突出值下降到臨界值之下或者沒有任何的異常現象。

圖4 超前排放鉆孔平面布置示意

3.3.2 采煤工作面防突措施

在回采中,由于對該煤層的抽采結果不理想,部分部位的鉆孔管理不當以及受地質結構等因素的作用,導致回采后測得的參數值超出預計值,需對該部位進行局部防突處理。在采場支護中,可以選擇采用鉆孔超前放空、瓦斯預抽、松動爆破、注水濕潤等方法。桑樹坪煤礦采取了以淺表鉆孔提前放水為主要手段的局部防治方法。在工作面布置一排鉆孔,鉆孔孔徑42 mm,鉆孔的有效水平投影長度為8 m。將全部超前排放鉆孔、預抽瓦斯鉆孔布置完畢之后,結合實際狀況來研究和決定排放、預抽時間,在實現期望的抽排目標之后,才能對措施的效果進行測試。

4 桑樹坪煤礦防突效果檢驗

4321工作面實驗巷道長1 400 m,試驗完成后對區域措施效果進行檢測,每個評價單元擴出煤屑率及殘余瓦斯含量測定的結果具體如圖5所示。可以看出,裂隙巖層中的碎屑含量為1.2%～6.4%,殘余瓦斯含量為4.20～7.12 m3/t。3#～6#鉆場的鉆孔控制區為水射流擴管實驗,在前期對擴出煤屑率沒有進行現場管控的時候,在現場實際擴出煤屑率只有1.2%～2.4%,在進行了長期的預抽采后,現場結果顯示,殘余瓦斯濃度只有4.20～5.63 m3/t。但是在施工中,因為地應力沒有完全卸載,仍有部分地區的預報指數超過了極限,甚至有噴孔卡鉆的情況發生。

圖5 擴孔鉆孔預抽煤層瓦斯監測數據曲線

通過對3#～6#鉆場下采掘工作面鉆屑量的計算,得出了相應的巖體應力指數,如圖6所示。從實測結果來看,由于擴出煤屑率不高,未能對煤層中的地應力進行有效消除,在掘進區遭遇小結構、軟弱煤層時,在采場區內確認測得的鉆屑量S出現了數次超限,在采取了對采場進行提高擴出煤屑率預抽采等方法后(其中擴出煤屑率達到了5.1%),煤巷可進行安全開挖。

圖6 3#～6#鉆場鉆孔控制范圍區域鉆屑量指標測定情況

如圖7所示,16#和23#鉆孔總體上有3%～5%的擴出煤屑率,曾在靠近地質結構的地方發生了鉆屑量S指數的超限。在17#、19#鉆場的擴出煤屑率大于5%時大部分的殘余瓦斯含量在6.18～6.71 m3/t,說明在地質構造、煤厚變化較大的地區,沒有出現任何指數超限或有突出預兆的情況。可以看出,只要對煤層進行了足夠的卸壓,其鉆屑量都是很小的,甚至在開采時,碰到了一些小的地質結構區,其鉆屑量也沒有出現明顯變化。

圖7 7#～19#鉆場鉆孔控制范圍區域鉆屑量指標測定情況

在4321工作面未采用預抽煤巷條帶瓦斯等局部防突技術前,該工作面月進尺最高只有60 m。在采用綜合防突技術后在安全掘進完1 000 m煤巷時,工作面運輸巷月進尺最高能達到120 m,安全掘進速度大大提高。

5 結論

根據桑樹坪礦井的實際情況,提出了“南一采區3號煤層”采取“11號煤層下保護層采場”的技術方法,并與“11號煤層”下保護層采動相配合,在保護層采動中達到卸壓裂解的目的,從而達到防治“3號煤層”的目的。在北采區,利用水壓沖鉆預抽瓦斯,對井巷內的煤層氣進行了局部預防,并對井巷內的煤層氣進行了預抽。防突效果表明,針對桑樹坪煤礦瓦斯突出特點提出以深井提前抽采為手段的區域和局部防突措施,現場應用效果良好。