西马煤矿瓦斯突出治理研究

魏亚飞

(沈阳煤业集团西马煤矿, 辽宁 111304)

煤与瓦斯突出是一个能量释放过程，在这一过程中，首先是能量的积聚，这个能量包括瓦斯、地应力等。煤层内的瓦斯含量、瓦斯压力和地应力随地质构造复杂程度的不同存在着较大的差异。由于地质构造带存在着一定的构造应力，所以，在构造带储存有较高的煤岩弹性应变能，突出危险性较大；并且在这些区域，煤层裂隙较为发育，瓦斯含量和压力往往较高，所以瓦斯内能较大，突出危险性较大。同时，在地质构造带，由于煤岩层受到不同程度的破坏，煤层的坚固性系数往往较低，软分层较为发育，相对而言，抵抗突出破坏的能力较差，所以成为突出的多发区域。目前，对煤与瓦斯突出治理的方法主要有开采保护层和预抽瓦斯等。周应江等研究了超前卸排瓦斯钻孔在新集二矿1812综采面上的应用，对瓦斯的治理效果进行了统计与分析；程远平等利用基于分源原理的瓦斯涌出量计算方法，将保护层工作面的瓦斯涌出量越策结果与实际测量值进行对比，发现由于保护层的卸压作用，促使被保护层的抽采率大于其自然排放率，这就造成了保护层瓦斯预测值小于实际测量值。《煤矿安全规程》规定：“开采保护层时，应同时抽放被保护层的瓦斯”。这样，能够降低瓦斯压力。采用先开采保护层的方法，从1958年以来，大大降低了煤与瓦斯突出事故发生的频率，实现煤与瓦斯突出煤层的安全高效开采。刘桂丽等以祁南矿34下2工作面和3410工作面的现场测试数据为依据，采用数值模拟方法模拟了不同钻孔抽采参数对瓦斯抽采的影响，得到了最佳的钻孔抽采参数，提高了瓦斯抽采浓度和抽采率。蔡文鹏等对顶板走向高位钻孔解决工作面上隅角瓦斯超限问题进行了研究，根据瓦斯涌出源及采空区和裂隙带的高度范围，确定了合理的高位钻孔参数。

本文研究的西马煤矿为煤与瓦斯突出矿井，12号煤层为突出煤层，13号煤层为非突出煤层，1304工作面属于地质构造复杂区域，所以在该区域中的防突工作包括防突技术和防突管理，是矿井安全生产的重要保障。

1 矿井及工作面概况

西马煤矿为煤与瓦斯突出矿井，12煤为突出煤层，突出范围位于井田南部，13号煤为非突出高瓦斯煤层，12号和13号煤层间距在3.5～26m，平均18m。从1989年投产至1999年，共发生煤与瓦斯突出202次，最大一次突出发生在南一区左三巷采煤工作面，突出强度324t，瓦斯涌出量1.2万m3。

1304工作面位于矿井南二采区，标高-500～-540m，工作面全长934m，倾向宽180m，沿走向布置。工作面煤厚0.5～1.5m，平均煤厚0.75m，煤层厚度变化较大，靠近断层处煤层有拉薄现象，变异系数20%；煤层结构较复杂，含夹矸，夹矸为灰黑色泥岩，平均厚度0.1m。本工作面构造较复杂。煤层产状局部有起伏，受区域构造力作用，小断层较为发育。1304工作面煤层瓦斯含量为6.3～7.6m3/min。

2 试验过程及技术指标的选择

西马煤矿13号煤层为高瓦斯非突出煤层，根据《防治煤与瓦斯突出规定》相关规定，结合矿井施工区域的特殊性，虽然13号煤层无突出危险，为加强安全管理，1304工作面掘进及回采期间，采用“超前钻孔预排瓦斯和四位一体综合防突措施”。

2.1 突出预测

以《防治煤与瓦斯突出规定》为基础，结合13号煤层的实际情况，以钻屑量S和瓦斯解吸指标Δh为主要预测指标；以各种动力现象、地质构造发育及变化程度、构造煤变异程度、瓦斯涌出异常等为辅助指标。当上述主要指标超限时，即认为工作面具有突出危险性；当辅助指标异常时，需要分析其异常的原因，在确认为与突出危险无关时，方可排除辅助指标预测突出危险的结论。

在13号煤层掘进工作面进行区域验证时，在掘进工作面布置3个预测钻孔，钻孔的深度为8～10m。钻孔布置在软分层，中间一个钻孔位于巷道中部与掘进方向一致，另外两个钻孔开孔于工作面两侧巷帮内0.5m处，终孔于巷道前方预计轮廓线外2～4m。采煤工作面进行防突预测时，每隔10m布置一个防突预测钻孔。钻屑量的测定从钻孔第1m开始，每施工1m用专用容器收集孔口钻屑，并用弹簧秤称量，钻屑量的临界值采用规定的S=6kg；Δh值的测定在钻钻孔每2m、4m、6m、8m时用WC-2防突测定仪进行测定，Δh值的临界值Δh=200Pa。掘进过程遇到下列情况时，均视为有突出危险：地质构造破坏带，如断层、褶曲等构造；煤层倾角、厚度、走向或倾向等赋存条件急剧变化以及软分层增厚地带(软分层厚度≥0.3m)；打钻过程出现喷孔、卡钻、顶钻、吸钻等动力现象；工作面出现明显的突出预兆：顶板来压、支架断裂、煤壁片帮、掉渣与外鼓，煤壁光泽暗淡、层理紊乱，瓦斯涌出忽大忽小、工作面温度降低，煤壁前方附近出现煤炮声等；采掘应力叠加区域。

为了提高预测及指标数据的可靠性，对打钻工艺及防突仪器的操作做了以下要求：①钻孔施工、指标测定由专人负责，以消除由于施工与测定技术差异引起的操作误差；②施工钻孔前要仔细观察巷帮支护情况、顶板受力情况、煤壁特征等，并做详细记录；③在测定Δh值时，应当尽可能减少人为因素对测量造成的误差；④测量钻屑量时，尽可能多的收集到钻屑，以提高钻屑量的准确度；⑤预测效检测过程中要具有高度的责任心，详细记录预测及检验过程中的各种动力现象。

2.2 掘进工作面消突措施

当预测及校检有突出危险时，应该及时采取消突措施，不能盲目进尺。根据矿井瓦斯自然排放半径0.5m的经验数据和13号煤层的实际厚度，采取的主要治理瓦斯措施是在工作面施工9个8～10 m深，75mm大直径瓦斯排放及卸压钻孔。钻孔的布置综合考虑煤体状况，主要布置在分层及构造煤层中，同时，通过观察煤层延伸方向，从三维空间的角度设计最少的钻孔达到最好的治理瓦斯目的。在钻孔施工过程中详细记录动力现象，如喷孔、卡钻、响煤炮等，发现有异常情况及时通知相关部门处理。

当掘进工作面遇褶曲构造，即煤层弯曲变形的构成形式，除掘进方向沿煤层走向不变，加强转弯巷道处的支护外，保留5m以上安全超前距离，利用风钻钻向前方煤层多打孔，然后用液压钻机打部分岩孔进入褶曲转折端煤层并过全煤层，再对转折端煤层排放孔检验，有效后方可掘进。

2.3 采煤工作面瓦斯治理

根据1304工作面煤层赋存条件和瓦斯涌出来源分析，在回采期间采用高位钻孔抽采、高位瓦斯抽放巷抽采、尾巷埋管抽采的瓦斯综合治理措施。1304工作面瓦斯治理设计如图1所示。

图1 1304工作面瓦斯治理设计

在抽采过程中对高位钻孔抽采管道内的瓦斯体积分数和流量进行监测，每隔7d收集一次数据，由实测数据绘制的钻孔抽采的瓦斯抽采浓度和瓦斯流量随时间的变化关系如图2和图3所示。

图2 瓦斯抽采浓度随时间变化

图3 瓦斯抽采流量随时间变化图

由图2可知，瓦斯抽采浓度最高可达86.51%，平均抽采浓度为56.37%。从图3中可知，抽采流量刚开始时为4.31m3/min，最大可达7.53m3/min，平均瓦斯流量为6.52m3/min，抽采效果较好，有效地降低了工作面瓦斯体积分数，最高不超过0.45%，保证了工作面的安全生产。

在实施高位钻孔后，每半个月对钻孔瓦斯抽采量以及瓦斯抽采率进行观测，结果绘制如图4～6所示。

图4 钻孔瓦斯抽采量随时间变化

图5 风排瓦斯抽采量随时间变化

图6 瓦斯抽采率随时间变化

从图4～6中可以看出，采取高位钻孔措施后，钻孔累计抽采瓦斯量达146.25万m3，保持了较高的瓦斯抽采率，平均在70%左右，最高可达79.66%，风排瓦斯总量为70.33万m3，回风流中的瓦斯体积分数明显降低，最高时也仅仅为0.38%，保证了工作面的安全回采。不仅如此，在综合治理之前，由于瓦斯超限，出于安全考虑而不得不放慢工作面的推进速度，进行治理后，推进速度得以提高，不仅保证了工作面的安全，也提高了经济效益。

3 结论

在矿井深水平地质构造复杂区域采取“超前钻孔预排瓦斯和四位一体”的综合防突技术防治煤与瓦斯突出，根据1304煤层厚度和预测情况，施工掘进循环超前预排瓦斯钻孔和防突措施孔。通过预排瓦斯钻孔或防突措施孔，降低地应力、瓦斯压力和瓦斯含量，相应增加构造煤强度，同时提高巷道支护强度，保证发生突出的阻力大于动力，防治煤与瓦斯突出故事故。工作面回采期间采取的高位钻孔抽采、高位瓦斯抽放巷抽采、尾巷埋管抽采的瓦斯综合治理措施，有效地解决了回采工作面的瓦斯超限等事故。