上社煤矿15# 煤层区域综合防突措施应用研究

张 建 光

（山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西 左权 032600）

1 工程概况

本次研究的对象为隶属于阳泉市上社煤炭有限公司的15105 工作面，15105 工作面开采15# 煤层，煤层均厚为5.70m，采用走向长壁后退式开采，工作面长度为210m，推进方向长度为1560m，采用一次采全高综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。15105 工作面采用“U+U”型通风方式，共布置四条回采巷道，分别为15105 进风巷、回风巷、底抽巷、高抽巷，其中15105 进风巷和底抽巷进风，15105 回风巷和高抽巷回风。15105 进风巷和回风巷沿15# 煤层顶板掘进，15105 底抽巷布置在距离15#煤层底板15～20m 的下方岩层内，15105 高抽巷布置在与15# 煤层顶板垂直距离40～45m 的顶板岩层内，高抽巷与15105 回风巷水平距离为35m。临近的15103 工作面回采期间绝对瓦斯涌出量达179.68m3/min， 煤层相对瓦斯涌出量最大达60.76m3/t，且上社煤矿15 号煤层为突出煤层，矿井为突出矿井，15103 工作面数次出现钻孔喷孔的现象，严重影响矿井的正常生产。为确保工作面的回采期间的安全，本次研究以15105 工作面为例，对其煤与瓦斯突出防治措施展开研究。

2 预抽瓦斯区域防突措施

区域防突措施通常指采煤工作面回采巷道掘进及工作面回采之前，对于存在煤与瓦斯突出危险的较大区域采取防突措施，区域防突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯两种[1～2]，区域防突措施应当优先采用开采保护层，上社煤矿标高+800m 以下区域及标高+800m 以上煤柱影响区为突出危险区，必须采取区域防突措施。根据煤层赋存情况，15# 煤层为突出煤层，15105 工作面标高均在+800m 以下，整个工作面均为突出危险区域，其上部对应9105 工作面煤层厚度为3.48m，与15105 工作面垂距平均为61.64m，9105 工作面开采时的有效保护层距最大为50m，小于两个工作面的层间距61.54m，因此，9105 工作面的开采对15105 工作面不能起到有效保护作用。因此，上社煤矿15105 工作面需采用预抽煤层瓦斯作为区域防突措施。

2.1 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

根据上社煤矿15105 工作面瓦斯赋存、巷道布置情况，在15105 进风巷和回风巷掘进工作面每隔50m 布置一组平行扇形预抽钻孔，预抽钻孔控制煤巷掘进工作面前方70m、巷道两侧轮廓线外至少各15m，设计预抽钻孔终孔间距为2.0m。预抽钻孔施工时在煤巷掘进工作面等间距布置3 排钻孔，每排布置8 个钻孔，距两帮每排第1 个钻孔距煤帮600mm，以后每个钻孔间距400mm，顶层钻孔距顶板间距1600mm；每排钻孔开孔间距500mm，底层钻孔距底板间距为900mm；整个煤巷掘进工作面共布置24 个钻孔，钻孔孔径90mm，封孔深度为15m，预抽时间不少于15 天。顺层钻孔预抽措施实施后，消除掘进工作面发生煤与瓦斯突出的危险后，掘进工作面可持续推进50m，确保掘进工作面前方预留不小于20m 的安全区域，再次进行顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯，钻孔布置如图1 所示。

图1 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯钻孔布置示意图

2.2 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

根据上社煤矿15105 工作面具体的地质条件，在距15105 工作面底板15～20m 位置的稳定岩层中布置一条底抽巷，底抽巷位于15105 工作面回风巷与15107 工作面进风巷之间。15105 底抽巷在工作面煤巷施工前施工，巷道支护完成后，在其顶板和两帮施工穿层钻孔预抽上部两条煤巷条带煤层瓦斯，钻孔终孔覆盖的范围在煤巷两侧不小于15m，实际应用为20m，钻孔终孔处间距为5m，每排18 个钻孔，排距为5m，钻孔的直径为100mm，封孔深度不小于7.5m，预抽时间不少于15 天，穿层钻孔布置如图2 所示。

2.3 顺层钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯

为确保15105 工作面的安全回采，设计采用顺层钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯区域防突措施。工作面走向长度为210m，在15105 工作面进风巷、回风巷分别布置直径120mm 的顺层钻孔，钻孔长度为120m，工作面中部存在30m 的钻孔交叉区域，钻孔距离巷道底板2.0m，水平间距为1.5m，封孔深度15m，预抽时间不少于15 天，顺层钻孔布置如图3 所示。

图2 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯钻孔布置示意图

图3 顺层钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯钻孔布置示意图

3 预抽煤层瓦斯区域防突措施效果检验

3.1 瓦斯抽采效果预评判

15105 工作面煤巷掘进和工作面回采前，首先采用上述的区域防突措施，为确保煤巷掘进期间和工作面回采期间的安全，通过理论计算验证煤层的突出危险性，根据上社煤矿15# 煤层的安全生产经验，当煤层残余瓦斯含量小于8m3/t 或残余瓦斯压力小于0.74MPa 时，即消除了煤层的突出危险[3]。瓦斯抽采后煤的残余瓦斯含量，通过评价单元内抽排煤层瓦斯量、单元内煤炭储量进行计算。瓦斯抽采后煤的残余瓦斯含量按下式计算[4]：

式中：WCY为煤的残余瓦斯含量，m3/t；W0为煤的原始瓦斯含量，m3/t；Q 为评价单元钻孔抽排瓦斯总量，m3；G 为评价单元参与计算煤炭储量，t。评价单元参与计算煤炭储量G 按下式计算：

式中：L 为评价单元煤层走向长度，为5.0m；L为评价单元抽采钻孔控制范围内煤层平均倾向长度，为2.5m；H1、H2为工作面推进方向两侧巷道瓦斯预排等值宽度，为11.9m，未掘煤巷时为0；h1、h2为工作面长度方向两侧巷道瓦斯预排等值宽度，为15m，未掘煤巷时为0；R 为抽采钻孔的有效影响半径，为7.5m；M 为评价单元平均煤层厚度，5.70m；γ为评价单元煤的密度，为1.38t/m3。

上社煤业15105 工作面煤层原始瓦斯含量为60.76m3/t，顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯Q=28.69m3/t，穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯Q=12.14m3/t，顺层钻孔预抽回采工作面煤层瓦斯Q=30.95m3/t；评价单元参与计算煤炭储量G 均为0.74t。15105 工作面煤巷掘进期间煤层内残余瓦斯含量约为5.58m3/t，残余瓦斯含量小于8m3/t，预计15105 回风巷和15107 进风巷掘进期间无突出危险；15105工作面回采期间，煤层内残余瓦斯含量为2.53m3/t，残余瓦斯含量小于8m3/t，预计15105 工作面回采期间无突出危险。

3.2 15105 工作面回采期间应用考察

为确保15105 工作面的安全回采，工作面回采期间，工作面煤壁每隔15m 布置一个预测钻孔，钻孔深度10m 钻孔直径42mm，钻孔距离煤层底板2.5m，效检指标为钻屑解吸指标和瓦斯涌出初速度，钻屑解吸指数临界值为4.5L/min，瓦斯涌出初速度临界值为35mmH2O，只有工作面所用钻孔的全部指标均低于临界值时，方可判断此循环预测结果为无突出危险。在15105 工作面回采初期，考察收集了60m 距离的工作面效检指标如图4 所示，钻屑瓦斯解吸指标基本维持在16.8～23.5mmH2O 之间，钻孔瓦斯涌出初速度维持在2.55～3.55L/min 之间，两个效检指标值均没有超过规定界限，且在生产过程中没有发生过动力现象和煤与瓦斯突出预兆，故由已测定的数据来看正在回采中的15105 工作面是安全的。

图4 15105 工作面回采期间突出危险性考察

4 结 论

上社煤矿15# 煤层属煤与瓦斯突出矿井，工作面煤巷掘进及工作面回采期间面临着煤与瓦斯突出的威胁，为解决该问题，本文以15105 工作面为例，对其区域综合防突措施进行设计研究及应用，并具体分析现场应用的效果，最终成功的确保了15105 工作面的安全高效回采，对于类似矿井煤炭资源的安全高效开采具有很大的参考价值。