薄煤层在原始应力区掘进瓦斯治理综合技术研究

罗芹

摘 要：为了预防薄煤层掘进工作面在原始应力区掘进时发生瓦斯超限和瓦斯积聚的现象，以及煤层受邻近层瓦斯压力的影响发生煤与瓦斯的突出事故，通过结合现场实际，采用合理调配风量、预抽煤层瓦斯、超前预测和掘进期间执行循环前探钻孔卸压等瓦斯综合治理方案，达到了工作面瓦斯治理的预期效果，从而保证了薄煤层掘进工作面在原始应力区的施工安全。

关键词：薄煤层；原始应力区；瓦斯；掘进工作面

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0003-02

为了准确掌握受原始应力影响下薄煤层地质构造区域瓦斯涌出的规律、构建薄煤层掘进工作面在原始应力区和构造影响区的安全生产环境和保证薄煤层掘进工作面的施工安全，现对重庆能投天府矿业公司磨心坡煤矿-220 m北K4薄煤层掘进工作面掘进瓦斯治理综合技术进行研究。

1 矿井和工作面概况

磨心坡煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，地质构造复杂，瓦斯、矿尘、煤层自然灾害严重。该矿井的通风方式为混合式，采取“平硐+斜井”的综合开拓方式，主要运输大巷布置在煤系地层底板的茅口灰岩中，每隔350 m布置了一个石门。

矿井开采K2、K4、K5、K6、K8、K9煤层，K9为保护层开采。矿井现主采水平为-220～-115 m，-330 m水平处于巷探阶段。全矿共布置了5个采煤工作面，分别集中于矿井的南、北采区。

北7403-7402掘进工作面的煤层厚度为0.49～0.53 m，平均厚度为0.50 m，赋存稳定，层状构造，硬度为2.5，本区可采，煤层可采指数为1.00，煤厚变异系数为9.5%，属稳定煤层。煤岩类型为半亮型煤，煤种为焦煤。

2 工作面瓦斯来源分析

2.1 掘进过程中落煤所产生的瓦斯

在工作面掘进的过程中，由于矿压和煤体粉碎的作用，导致原先煤体中处于吸附状态的瓦斯迅速解吸变为游离状态的瓦斯，使工作面的瓦斯浓度和瓦斯绝对涌出量增加。落煤时产生的瓦斯量主要取决于落煤、煤层瓦斯与煤炭运至地表时残存的瓦斯含量差。

2.2 工作面围岩裂隙及邻近层瓦斯涌入

K4煤层进入原始应力区掘进时，工作面周围煤体围岩的压力将重新分布。工作面前方的压力将增大，裂隙增多，导致新暴露煤壁中的瓦斯迅速涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量增加，浓度增大。但巷道两侧煤壁中的瓦斯压力会随着工作面的前进和煤壁暴露时间的延长而减弱，巷道和煤体内的瓦斯逐渐趋于平衡，瓦斯涌出量逐渐稳定。

另外，掘进工作面落煤后，顶、底板围岩和邻近层的瓦斯将沿着裂隙涌入工作面和回风流中，进而造成工作面和回风流中的瓦斯浓度增大。但随着顶、底板暴露时间的延长，瓦斯的涌出量也会逐渐趋于平衡。总之，煤壁瓦斯涌出强度取决于煤层瓦斯的含量、瓦斯压力、煤层的透气性、空间条件和煤壁的暴露时间。

3 瓦斯综合治理技术

3.1 增大工作面风量，排出瓦斯

由于该掘进工作面煤层距北K5、K6煤层较近，且该工作面地质情况较复杂，顶板裂隙发育，瓦斯压力大，工作面掘进初期的瓦斯浓度高达0.5%～0.7%. 综合以上因素，决定更换工作面局部的通风机，采用型号为FBD№5.6/2×15的对旋式局部通风机，并采用直径为800 mm的风筒供风。更换后，风量由原先的164 m3/min提升至285 m3/min，工作面及其回风的瓦斯浓度降至0.4%，保证了工作面的正常作业。

3.2 抽放煤层瓦斯

由掘进工作面瓦斯来源分析可以得出，大部分的瓦斯来源于工作面本身以及周围煤壁、围岩裂隙，因此，治理这部分瓦斯是掘进工作面瓦斯治理的关键。根据巷道煤壁和围岩的“松动圈”理论，掘进巷道形成后，其“松动圈”厚度会根据围岩性质和掘进施工工艺不同而改变，进而形成的卸压区范围也不同。通过在工作面后方巷帮和本层布置钻场进行抽放，起到隔断和减少巷道卸压区的瓦斯向巷道中涌入的作用，从而降低巷道回风流中的瓦斯浓度。

3.2.1 穿层钻孔布置

在工作面巷道底板边间每隔5 m布置穿层抽放钻场，每个钻场布置5个钻孔，钻孔的控制范围为巷道轮廓线上方20 m、下方10 m。

3.2.2 顺层钻孔布置

在北7403-7402运输巷掘进工作面前方煤体布置顺层抽采钻孔，设计走向上投影距离为60 m的条带预抽抽放长孔，钻孔控制范围为巷道轮廓线上方20 m、下方10 m，每一轮循环掘进留足抽采长孔20 m的超前距。根据矿通风技术人员的考察，终孔的间距为5.4 m。

3.2.3 钻孔封孔工艺

钻孔施工完毕后，立即采用聚氨酯AB胶和抽放白胶管封孔，穿层钻孔封孔深度不得低于8 m，每个钻场设置1个测流点；顺层钻孔封孔深度不得低于8 m，每个单孔设置1个测流点。钻孔封堵严密后，连接抽放管道抽放。

3.3 超前预测

3.3.1 预测钻孔布置

因工作面在原始应力区掘进，为了保证工作面作业安全，在作业前必须采用钻屑指标预测方法对工作面进行超前预测，即在工作面走向上布置3个直径为42 mm、孔深为10 m的钻孔。钻孔应根据现场实际，尽量布置在软分层中，控制在巷道轮廓线上方3 m、下方2 m处。

3.3.2 工作面验证

采用ZQS-14/1.0/18型手持式气动钻机施工预测钻孔，钻孔从2 m处开始，每钻进1 m测定1次钻屑量，每隔2 m测定1次钻屑解析指标K1值，根据每个钻孔沿孔长的最大钻屑量（Smax）和钻屑解析指标K1预测工作面的突出危险性，当实测指标Smax≥6 kg/m或K1≥0.5 mL（g·min1/2）时，工作面存在突出危险，采取工作面排放钻孔施工；当实测指标小于临界值时，工作面无突出危险，可进行掘进施工，每一轮循环施工保留2 m的安全超前距，遇地质构造复杂地段，每一轮循环保留5 m的安全超前距。

3.4 前探钻孔

3.4.1 前探钻孔的作用机理

前探钻孔的主要作用是降低巷道前方煤体的地应力和瓦斯压力。前探孔会排出大量的钻屑，附近煤体会向孔内自由空间产生弹塑性变形，从而降低了巷道前方煤体的地应力，导致应力集中区向煤体深部移动。地应力与瓦斯压力间存在正相关关系，随着游离瓦斯的释放和吸附瓦斯的解析补充，瓦斯压力也会因前探孔施工而降低。实质上，因前探孔的作用，会产生一个瓦斯缓冲带，这直接降低了巷道前方煤体的瓦斯压力梯度。瓦斯压力梯度的计算方法为：煤体内部原始瓦斯压力和巷道自由面瓦斯压力之差除以安全屏障的宽度。突然揭露未经抽放的原始煤体时，因缺少缓冲带，煤体的应力状态会突然改变，瓦斯压力梯度将突然增大，易引发突出事故。

在瓦斯地质条件不佳的情况下，连续施工的前探孔可在巷道前方形成一道动态的、可移动的安全屏障，这道安全屏障成为了巷道掘进最后和最直接的防突安全屏障。

3.4.2 前探钻孔布置

根据矿井的实际情况，该矿的前探钻孔采用ZF-100型风动钻机施工，钻孔直径为85 mm，压风排粉，孔深在巷道掘进方向的水平投影距为13 m，控制在巷道轮廓线上方7 m、下方3 m处，每一轮循环掘进施工保留前探钻孔5 m的超前距。

4 结论

针对-220 m北3-2K4煤层掘进工作面瓦斯浓度大的情况，通过采用更换大功率局部通风机增大工作面风量的方法，从通风系统上有效保证了工作面的安全作业；通过建立-220 m北3-2K4煤层运输巷抽采系统，解决了工作面邻近层和本层的瓦斯涌出问题，从而保证了工作面的安全掘进。

采用前探钻孔，是工作面掘进在原始应力区必不可少的重要安全措施之一，前探钻孔的应用不仅探明了钻探前方的地质和瓦斯情况，还能形成卸压带，进而形成有效的安全屏障。

参考文献

[1]徐力.新集一矿高瓦斯掘进工作面瓦斯综合防治技术及应用[J].科技创新导报，2013（12）.

[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992.

[3]张国枢.通风安全学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

〔编辑：张思楠〕

Integrated Gas Control Technology Research in the Original Excavation Thin Seam Stress Zone

Luo Qin

Abstract： In order to prevent the gas gauge and gas accumulation phenomenon occurs when the original stress zone Heading Face thin coal seam and coal outburst accident on the adjacent layer by gas pressure of coal and gas， and through a combination of the actual site， using reasonable allocation wind， pre-pumping coal seam gas， ahead of forecast and exploration drilling during the excavation before the execution cycle gas relief and other comprehensive treatment program to achieve the desired effect Face Gas governance， thus ensuring the thin seam construction Heading Face in the original stress zone safety.

Key words： thin seam； original stress areas； gas； heading face