突出煤层瓦斯治理薄弱区域消除突出及应力集中技术研究

朱同功

（平顶山天安煤业股份有限公司十矿，河南省平顶山市，467000）

1 工作面概况

平煤股份十矿 （以下简称十矿）设计产能2.4 Mt／a，核定产能3 Mt／a，是河南省瓦斯涌出量最大的突出矿井。2012年鉴定瓦斯绝对涌出量为108.36m3／min。己15煤层为煤矿主采煤层，煤层厚1.5～2.6m，平均为2.2m。

己15-24080工作面位于十矿己四采区西翼第三区段，东靠己四轨道下山、己四瓦斯专用回风巷、运输下山，西至26勘探线，南临己15-24060采空区，北面未回采。工作面设计走向长度1970m，可采走向长度1579 m，采面斜长196 m（斜长215 m），圈定98 万t 可采煤量。己15-24080工作面采面煤层自开切眼向设计停采位置由单一己15煤层逐渐向合层过渡，开切眼向外600m己15.16两煤层夹矸厚度由大于7.0 m 渐变为小于1.1m，再向外逐渐合层。所采己15煤层为突出煤层，煤层坚固性系数0.2～0.5，破坏类型为Ⅱ、Ⅲ，瓦斯放散初速度6.84～7.53L／min，煤层瓦斯突出预测指标K 值17～22，原始瓦斯含量为12.37～19.83m3／t，原始压力为2.23～2.4 MPa。

己15-24080工作面共设计了4条巷道，沿煤层走向设计了己15-24080工作面机巷和风巷；在靠近机巷和风巷倾向下侧10～15 m、煤层顶板以上10～15m 布置了高位巷，以掩护机巷和风巷掘进施工；在己15-24080 工作面采面底板距风巷80m处设计一底板巷，解决采面中间瓦斯治理薄弱带问题。回采前机巷、风巷和高位巷采用江苏中煤矿山设备有限公司的CMS1-6200／80大扭矩钻机进行本煤层钻孔施工，设计钻孔深度100m、钻孔920个。为增加瓦斯抽采量及效果，对抽采效果差的区域和异常钻孔进行补孔，实际施工1582个，百米成孔率76%。由于里段分层，己15煤层平均只有2.2m 厚，钻孔百米成孔率较低，两巷钻孔在采面中部对穿效果较差，造成里段约600 m 在采面中上部存在约60～70 m 宽的打钻治理薄弱带，瓦斯治理效果差，形成了一定的空白带和应力集中区。

2 问题提出及原因分析

己15-24080工作面投产前，为摸清该工作面瓦斯和应力灾害分布情况，十矿分别进行了工作面区域验证、无线电坑透、矿山CT 等工作，对采面异常地质构造、应力集中分布、富水异常、突出异常等情况进行划分。回采至470 m 以前，采面没有异常。回采至470 m 以后 （2013年7月3日以后），一个月内连续发生3次采面应力显现、煤体片帮垮落引起高浓度瓦斯超限。

经实地勘查，结合监控曲线、矿山顶板应力在线和声发射等技术手段进行综合分析，得出造成超限的原因有以下几方面：

（1）从瓦斯传感器吊挂 （传感器用绳子系在巷道顶部）位置及现场煤体倾出位置看，超限均发生在己15-24080采面距机巷90～135m 区域内，说明机巷钻孔没有完全覆盖这一区域，煤体内瓦斯没有得到有效释放，创造了高浓度瓦斯涌出条件。

（2）通过打钻孔，在靠近机巷80～90m 的煤体内瓦斯及应力得到了有效释放，而在90～135m区间由于钻孔没有控制到位或控制较少，煤层本身没有受到打钻影响，形成了类似孤岛的应力集中区，为煤与瓦斯倾出创建了应力条件。

（3）在距机巷60～190m 区间内的煤层底板，己15.16夹矸厚度变化较大，该区间夹矸厚度在3.0～5.0m （两侧较小），在该区间形成一透镜体状硬结核 （相较于靠近两巷较薄的夹矸而言），形成了底板的高应力集中。

（4）在采面距机巷90～135 m 区域支架处于高阻力异常状态，支架推移后增阻很快，且持续多日不减。采面这一区域形成了本煤层高瓦斯赋存、煤层高应力区，上覆对应区域顶板因打钻扰动小而没有卸压，再加上来自底板透镜状夹矸的参与，最终在90～135 m 区域形成了高应力挤压叠加的现实。

3 采取措施

3.1 消除应力集中

在采面90～135 m 区间采取深孔松动爆破技术。松动爆破钻孔深度12 m，每个松动爆破钻孔装药5280g，每9m 布置1个，两排布置，其中下排孔的终孔位置布置在煤层顶板以上1.3m 处。

对本煤层和底板夹矸厚度大于3.0 m 以上区域布置深15m 爆破孔，装药爆破，破坏煤层及底板夹矸的完整性，主动提前释放瓦斯和压力，减少和消除回采期间应力释放几率。前期没有考虑对底板夹矸的制裂爆破，只对本煤层爆破，后来又发生了一次应力显现、片帮导致的瓦斯高浓度超限，随即增加了对底板夹矸的制裂爆破，效果对比见表1。

表1 生产期间回风流瓦斯效果对比表

3.2 瓦斯超限治理

3.2.1 上隅角及高位巷抽放

在已15-24080 工作面风巷布置一趟直径300mm和一趟直径200mm 的抽放管，埋管抽放。其中直径300mm 抽放管深度距上隅角10m 以上，抽采采空区瓦斯；直径200mm 抽放管伸入上隅角2～3m，抽采上隅角附近瓦斯。由于高位巷没有施工到位，发挥不了作用，临时在高位巷掘进头打大孔径高位钻孔 （直径150mm，终孔在煤层顶20～25m 处），抽采采面上隅角垮落带附近瓦斯。

3.2.2 异常区域加密钻孔的施工及抽排

在采面90～135 m 区域施工加密钻孔，每天执行一轮15m 深的打钻循环 （全采面施工一次钻孔），其它区域一个生产循环 （工作面效检一次）只打一轮钻 （3d全采面只打一次钻），并在打钻班利用直径200mm 抽放管及时抽排。

3.2.3 依托声发射超前预警技术，多手段综合评估，杜绝超限

在无线电坑透及矿山CT 技术测试的异常区域（只在工作面投产前进行一次固定测试，以后不再进行），以声发射超前预警为依托，在声发射发生报警异常后，立即组织分析采面打钻异常、现场煤体赋存构造、顶板在线压力显现、采空区顶板垮落等情况，进行综合评估。对顶板应力在线压力居高不下、煤壁出现应力集中显现引起的煤壁劈裂或片帮、底板夹矸大于3.0m 的叠加区域增加深孔松动爆破；对打钻出现夹钻、喷孔的区域采取加密钻孔和煤壁注水措施。声发射技术有较好的超前预警功能，3次以应力集中显现诱导的煤体片帮超限均在声发射中有了明显体现，并在超限前6～10h发出了预警。这给现场采面防突工作提供了非常明确直观的预警信号，为预防以应力集中为主导的煤与瓦斯突出提供了依据，大大有利于超前采取措施消除隐患。把声发射异常信号确定为是否消除突出主要评估指标后，采面再没有发生过瓦斯超限或突出。

4 实施效果

回采期间，在坑透和矿山CT 探测异常区域，利用声发射技术对采面瓦斯及应力异常区域进行全程监控，借助声发射技术的超前预警功能，通过对瓦斯及应力集中区域采取补打加密释放钻孔和注水释放煤体瓦斯和应力；再采取深孔爆破技术，对瓦斯及应力集中区域的煤体和夹矸大于3.0 m 以上煤体底板进行松动制裂爆破，消除应力显现诱导的煤与瓦斯突出现象，杜绝了高浓度瓦斯超限。采用上述技术后，采面没有再发生超限现象，采面单产由原来的最高3.2万t／月提高到最高6.5万t／月，基本解决了制约安全生产的瓶颈问题。己15-24080工作面产量由投产初期2万t／月，逐渐增产到目前的6万t／月，产量增加将近3倍。

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