低透气性强突出煤层的瓦斯防治技术研究

孙传军，李 康

（皖北煤电集团公司 祁东煤矿，安徽 宿州23400）

1 概况

祁东煤矿二采区9煤层经鉴定为低透气性强突出煤层，平均煤厚4.1m，实测瓦斯压力高达3.3MPa，突出十分严重。9煤层上覆71煤层，71为无突出煤层，煤厚0.8～2.63m，平均1.75m，71煤层与9煤层层间距平均43m，具备上保护层开采条件，因此，为大幅度降低下部煤层工作面的瓦斯涌出量，消除9煤的突出危险性等灾害，先期开采上部保护层71煤层，并对9煤层进行卸压瓦斯抽采。

2 区域瓦斯防治措施

2.1 上保护层开采

2.1.1 开采保护层的有效层间距

7122工作面开采71煤层，煤层倾角8°～14°，平均13°，属缓倾斜煤层，根据《防治煤与瓦斯突出规定》，开采上保护层时，对于缓倾斜煤层，上保护层与被保护层之间的最大保护垂距小于50m。根据该采区部分勘探孔资料，71煤层与9煤层层间距平均为43m左右。根据《防治煤与瓦斯突出规定》及有关理论和经验，此层间距在有效层间距之间，故可以依据保护层开采理论的相关技术方法进行保护层开采。

2.1.2 保护层的开采范围

根据祁东煤矿的采掘部署，将二采区9煤层上方的71煤层的7122工作面作为保护层工作面。工作面参数为：

工作面标高：－460m～－500m；

工作面走向长：1090m；

工作面倾斜长：164m；

煤层厚度：0.8～2.63m，平均1.75m；

煤层倾角：8°～14°，平均13°；

顶板管理：全部陷落法。

2.1.3 被保护层的开采范围

根据7122工作面开采范围，首先在理论上划分出7122工作面开采对9煤层工作面的保护范围。

（1）沿倾斜方向的保护范围

依照7122工作面的开采范围对被保护层保护范围进行设计。保护层开采沿倾斜方向的保护范围，按倾向卸压角划定。保护层工作面煤层倾角约为13°左右，依照规定：保护层工作面上部倾斜卸压角δ3、δ4应按75°设计（见图1）；经计算，9煤被保护层相对于保护层工作面，被保护层工作面风巷和机巷分别内错保护层工作面12.7m。

图1 保护层工作面沿倾斜方向的保护范围

（2）沿走向方向的保护范围

保护层开采沿走向的保护范围，按走向卸压角划定。71煤层和9煤层层间距根据钻孔柱状图为46.4m。卸压角按照56°计算（见图2）。经计算被保护层工作面在始采线和终采线相对于保护层工作面位置分别内错31m。

图2 保护层工作面沿走向方向的保护范围

2.2 被保护层瓦斯抽采措施

根据国内外开采保护层的经验，在保护层开采时，利用穿层钻孔抽采被保护层的卸压瓦斯，对于解决保护层工作面的瓦斯涌出量、消除被保护层的突出危险性具有重要的作用。因此，在距9煤层底板法距28m的底板施工9煤底板抽采巷，利用抽采巷打穿层钻孔来预抽9煤层瓦斯，抽采巷贯穿于9煤整个需要布置的工作面，根据钻机的能力保证抽采钻孔控制被保护层9煤层整个工作面轮廓线外15m。抽采钻孔的间距根据9煤为松软低透气性煤层的特性，因此，在9煤底板抽采巷内每隔26m再分别设一钻场，钻场宽×高×深＝4.2m×2.6m×4.5m，每个钻场布置3个抽采钻孔，工作面走向长度为1090m，共施工约42组294个钻孔。钻孔开孔位置位于钻场顶部，终孔位置穿透9煤层顶板0.5m（在实际施工中可根据打钻过程中对煤层实际赋存情况的验证对钻孔参数进行调整，但必须保证钻孔见煤点的间距以及9煤层抽采范围）。

3 9煤层钻孔瓦斯流量及透气性系数变化

上保护层71煤层未开采前，被保护9煤层原始瓦斯压力高（2.3～3.2MPa）、瓦斯含量较大（9.1～11.2m3／t）、透气性差（0.0045～0.064m2／MPa2·d）、钻孔瓦斯衰减快（钻孔自然瓦斯流量衰减系数η＝0.16），原始状态抽采瓦斯困难。71煤层工作面开采后，被保护9煤层的钻孔瓦斯流量及透气性系数发生了一定规律性的变化。

保护层7122综采面的回采前，被保护9煤层钻孔瓦斯流量为1L／min；保护层7122工作面的回采后，被保护层9煤煤层产生卸压，煤层透气性增大，钻孔瓦斯流量为24.8 L／min，比未卸压前增大近25倍。

保护层7122综采面回采前后，被保护9煤层透气性系数变化情况见表1。

表1 保护层7122综采面开采前后被保护层9煤层透气性系数

表1表明，被保护区内的9煤层透气性增加，其透气性系数增大了76～1484倍，从而为瓦斯抽采提供了良好的条件。

4 7122综采面开采对下伏9煤层卸压保护参数及防突效果分析

根据71煤层开采对被保护9煤层有代表性的倾斜上、下及走向方向煤层变形考察结果，以被保护层煤层层理法向变形6‰作为有效消除地应力主导型动力灾害；被保护9煤层的卸压瓦斯抽采率为42%，被保护9煤层残余瓦斯含量为5.3m3／t。

根据上述9煤层的煤岩瓦斯动力参数变化和残余瓦斯含量值，分析得出下伏被保护9煤层在保护范围内已无突出危险。

5 9煤层局部防突措施

5.1 掘进工作面防突措施

表2 钻屑指标法预测煤巷掘进工作面和采煤工作面突出危险性的参考临界值

首先采用钻屑指标法对掘进工作面进行连续预测预报，参考临界值见表2。钻孔的位置及控制范围按防治煤与瓦斯突出规定执行，若预测工作面无突出危险，采取安全措施后进行掘进。若预测工作面有突出危险采取排放钻孔防突措施，并进行效果检验。经验证措施有效后，既判断为无突出危险的工作面，当措施无效时，既判断为突出危险工作面，继续采取局部防突措施，直至措施有效。采取安全措施后进行掘进，煤巷掘进保留3m预测超前距，施工到位后再进行预测预报，以此类推。

5.2 采煤期间防突措施

工作面采用钻屑指标法进行突出危险性预测，参考临界值见表2，沿工作面每隔10m（断层附近加密预测钻孔）布置一个预测钻孔，孔深6m，孔径42mm，钻孔应尽可能布置在软分层中，钻孔每钻进1m测定该1m段的全部钻屑量S，每钻进2m至少测定一次钻屑瓦斯解吸指标K1或△h2值。若预测无突出危险，并且未发现其它异常情况，工作面在采取安全防护措施并保留不少于3m预测孔投影孔深超前距的条件下进行采煤作业；否则，为突出危险工作面，必须执行工作面防突措施。防突措施采用排放钻孔释放煤体瓦斯措施，并经效果检验有效后，方可采取安全防护措施的情况下继续施工。

6 应用情况

通过开采解放层、底板抽采煤层瓦斯、掘进工作面防突措施、采煤工作面防突措施等一系列措施，确保了被保护层工作面掘进期间和回采期间的安全，现被保护层9煤工作面已安全回采620m，生产原煤470kt，取得了较好的社会经济效益。