基于精细化预测的弱突出煤层动态防突技术

程 广

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

煤与瓦斯突出是深部矿井的主要灾害之一，煤与瓦斯突出过程中快速喷出的大量瓦斯和煤体会对设备和工作人员造成冲击破坏，同时涌出的大量瓦斯极易引发瓦斯爆炸事故，扩大灾害损失[1-4]。煤与瓦斯突出危险性预测是科学合理制订针对性防突措施的基础，其涉及到执行防突措施的范围和工作量，是防突技术的关键环节[5]。在高瓦斯矿井向突出矿井升级过程中，煤层内的高瓦斯区域与突出区域会存在弱突出区域。弱突出煤层的突出危险性预测普遍存在2个方面的问题：①突出区域占突出煤层的总面积虽小，但突出区域的分布具有隐蔽性、随机性、不确定性、小区域性等特点，如已预测为无突出危险的区域，在遇到了构造、瓦斯赋存变化、煤层赋存变化等情况时也极有可能发生突出[6-8]，但采用传统的区域预测方法较难发现这些隐伏区域；②有些矿井的开拓条件由于不能满足《防治煤与瓦斯突出细则》[9]中关于区域预测布点的要求，而无法进行区域预测，致使该区域必须按照突出危险区域采取相应的措施。造成了弱突出煤层防突措施实施的盲目性、防突工程浪费性，在生产中存在有较大的安全生产隐患。目前学者们针对煤层突出危险性区域预测的研究主要集中在如下 3个方面：一是区域预测指标的敏感性和临界值的研究[10-12]；二是针对特殊区域的突出危险性预测，如石门揭煤、井筒揭煤区域的突出危险性预测[13-16]；三是煤层区域突出危险性预测方法的研究[17-18]。但针对弱突出煤层的精细化、动态防突技术的研究鲜有人涉及。

基于弱突出煤层危险性的特点，提出了弱突出煤层动态、精准防突技术，旨在解决弱突出煤层的高效防突问题，并在大河边煤矿开展了现场应用研究，实现矿井煤巷安全掘进1 400 m，工作面提前6个月贯通，缓解了矿井采掘接替紧张的局面。

1 矿井概况

大河边煤矿井田内含可采及局部可采煤层 12层，分别为1、4、7、8、11、13上、13下、14、15、16、19、34号煤层，经鉴定1、7、11号煤层均具有煤与瓦斯突出危险性。虽然大河边煤矿7号煤层已经鉴定为煤与瓦斯突出煤层，但已回采区域的7号煤层实测原始瓦斯含量均不高，很少超过8 m3/t，局部预测指标K1测定值为0.11～0.32 mL/(g·min1/2)，钻屑量S值为1.5～2.2 kg/m，很少出现超过临界值的现象，属于典型的弱突出煤层。7号煤层瓦斯基础参数测试结果如表1所示。

表1 7号煤层工业分析指标及吸附常数测试结果

2 动态防突技术

2.1 动态防突技术实施工艺

根据大河边煤矿7号煤层的赋存及实验工作面布置情况，首先对回采工作面人为划分块段(块段长度可根据煤层的赋存情况、地质构造赋存情况、瓦斯赋存情况、取样技术等方面来确定)，块段长度一般取80～100 m，工作面块段划分情况如图1所示。

图1 工作面块段划分及预测钻孔布置示意图

在煤巷掘进过程中对每一块段首先进行精细化预测，然后根据预测结论制订针对性的精准防突措施。在煤与瓦斯突出危险性预测过程中，采用“递进式”的方法，即首先进行第一块段的预测，具体做法是在煤巷端头施工钻孔测定煤层瓦斯参数，按照《防治煤与瓦斯突出细则》中对区域预测的有关规定，同一地质单元内沿煤层走向布置测试点不少于2个，沿倾向不少于3个，其钻孔的布置见图1。同时将瓦斯参数测试钻孔作为超前探测钻孔，对煤层的赋存情况、地质构造情况进行超前探测，通过该种方式，可详细掌握所划分块段内的煤层赋存情况、瓦斯赋存情况、地质构造情况及突出预兆情况等。根据所掌握的详细突出多元信息，对该块段内的煤层突出危险性进行预测，若预测结果为无突出危险性，则无需采取防突措施；若有突出危险性，则对该块段区域实施顺层钻孔预抽煤层瓦斯，煤层消突后再开展后续工作，待该块段掘进至终掘线后，采用同样的方式进行第二块段的防突工作，循序渐进地完成工作面防突工作。

2.2 预测指标测定结果

所有循环段预测钻孔的布置,以及预测指标的测试均采用相似的方法。文中只列出了第四循环段的预测指标结果，并在后续章节中以第四循环段的预测指标数据为典型代表进行煤层突出危险性的综合分析。选择煤层瓦斯含量为区域预测的指标，测试方法为直接法。此外，为掌握煤层瓦斯压力的情况，采用朗格缪尔方程对瓦斯压力进行间接反算[19-20]，计算公式如下：

(1)

式中：W为煤层瓦斯含量，m3/t；a、b为瓦斯吸附常数，计量单位分别为m3/t、MPa-1；p为瓦斯压力，MPa；Mad为煤的水分，%；Aad为煤的灰分，%；q为孔隙率，%；n为压力相关性系数；ρARD为视密度，t/m3；ts、t为吸附试验温度和井下煤层温度，℃。

预测指标测试结果及瓦斯压力计算结果见表2。

表2 第四循环段瓦斯含量及瓦斯压力测试计算结果

2.3 预测结果综合分析

基于区域预测指标实测结果、测试钻孔钻进情况、已掘段揭露的煤层情况、瓦斯及地质赋存情况、预测范围埋深变化情况和煤体结构情况的综合分析，对本循环段煤层的突出危险性进行判断。

2.3.1 预测指标分析

大河边煤矿310702工作面第四循环段实测瓦斯含量最大值为6.120 3 m3/t(埋深713.1 m)，未超过《防治煤与瓦斯突出细则》中规定的瓦斯含量临界值(8 m3/t)。通过查阅大河边煤矿采掘工程平面图、井上下对照图，本次预测范围内7号煤层的最大埋深为724.0 m，而本次取样点的最大埋深为713.1 m，与预测范围内最大埋深仅相差11.0 m，由于埋深相差很小，瓦斯参数应不会发生大的变化。此外，通过间接法所计算的瓦斯压力最大为0.588 1 MPa(相对瓦斯压力)，也未超过《防治煤与瓦斯突出细则》中瓦斯压力临界值(0.74 MPa)。因此，7号煤层第四循环段内为无突出危险区。

2.3.2 测试钻孔的钻进情况分析

在本次测试钻孔施工过程中未发生喷孔、顶钻等突出预兆，说明该区域瓦斯赋存量较少；钻机钻进过程中推力较为均衡、钻进速度较平稳，煤体硬度变化不大，钻进返渣均为煤粉，单位长度返渣量变化较小，且返渣的光泽度、颗粒大小及硬度无明显变化。表明该区域内应无隐伏断层或褶曲等地质构造，煤层赋存较稳定，其瓦斯地质情况与前三循环段是一致的，应为同一地质单元，发生煤与瓦斯突出的可能性较小。

2.3.3 埋深情况分析

本次预测区域埋深为660.0～724.0 m，埋深变化较小，瓦斯含量测定结果未出现明显突变，而已预测的前三循环段埋深为698.0～768.0 m，其最大埋深要大于本次预测范围埋深，目前前三循环段均已实现安全掘进，根据前三循环已掘段瓦斯地质情况，结合第四循环段内煤层埋深变化情况，可得出7号煤层在第四循环段发生突出的可能性较小。

2.3.4 煤体结构分析

通过对本次预测区域揭露的7号煤层的勘察，煤层赋存完整性较好，煤层为亮与半亮型煤，有光泽，半亮型为主，煤层平均厚度为2.0 m，少量块状及碎块状煤，断口比较平滑，用手可掰成块状。煤体破坏程度较低，应为Ⅱ类煤[21]。另外，7号煤层煤体较为坚硬，抵抗煤与瓦斯突出的能力较强，同时从前探钻孔来看，未探测到有构造存在，也就说明了前方煤体未存在构造煤或煤层变软的情况。因此，从煤层整体结构分析，7号煤层在第四循环段发生突出的可能性较小。

综上所述，通过对区域预测指标实测结果的分析，并结合对测试钻孔的钻进情况、已掘段揭露的煤层、瓦斯及地质赋存情况、预测范围埋深变化情况和煤体结构情况的综合分析，可以得出：7号煤层第四循环段为无突出危险区。

2.4 现场应用效果分析

该技术方案已在大河边煤矿310702运输巷掘进工作面实施了20个小区域突出危险性预测循环，预测结果均无突出危险，所有预测循环均未采取瓦斯抽采措施，实现了煤巷安全掘进1 400 m和整个工作面的安全回采。据水城矿业股份有限公司通风部统计，与原设计采用的工作面中间腰巷“递进式”进行煤层瓦斯预抽的防突措施相比，采取动态防突措施后，大河边煤矿310702工作面(走向长度1 400 m)无需施工中间腰巷，可节省腰巷工程量1 400 m；同时，根据实测瓦斯参数，所有循环无需采取瓦斯抽采措施，减少钻孔工程量3.5万m，共节省瓦斯灾害治理费用约1 090万元，工作面比原计划提前6个月回采完毕，经济效益明显。

3 结论

1)根据弱突出煤层的突出危险性的特点，提出了一种基于精细化预测的动态、高效防突成套技术，旨在解决弱突出煤层的高效防突问题。该技术不仅节约了大量的防突成本，而且节省了煤与瓦斯突出灾害防治时间，缓解了矿井的采掘接替紧张的局面。

2)在现场开展了试验，综合实测预测指标结果、测试钻孔钻进情况、埋深情况及煤体结构等，对预测区域的煤层进行了突出危险性分析，得出7号煤层第四循环段为非突出区。

3)现场应用表明，该技术有效解决了弱突出煤层的高效防突问题，实现了煤巷安全掘进1 400 m和工作面的安全回采，期间未发生任何突出灾害，仅节省瓦斯治理费用就达1 090万元。