突出煤层分叉上邻近层瓦斯涌出防治技术探讨

甘志军，肖祖林

（1.丰城市应急管理局，江西 丰城 331100；2.江西煤业集团有限责任公司尚庄煤矿，江西 丰城 331143）

江西煤业集团有限责任公司尚庄煤矿1968年10月投产，2020年核定生产能力0.40 Mt/a，为煤与瓦斯突出矿井，开采单一B4突出煤层，现生产水平为-650 m 水平。矿井西翼B4煤层分叉为B4a煤层和B4b煤层。尚庄煤矿西Ⅰ下山采区390工作面设计开采下分层B4a煤层，采用底板巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的区域防突措施，经检验390 工作面B4a煤层区域防突措施有效。

390 工作面上覆的B4b煤层（平均厚度0.6 m、平均间距9.3 m）未采取区域综合防突措施，在切眼掘进过程中因支护不及时顶板发生垮冒，导通B4b煤层而造成瓦斯超限事故。在390 工作面开采过程中，上覆间距较小的B4b煤层卸压瓦斯受回采工作面通风负压的影响，瓦斯会大量流向采空区、工作面回风隅角，回采过程中易受到瓦斯威胁。为确保390 工作面的安全开采，采取合理的措施预防开采过程中上邻近B4b煤层瓦斯异常涌出非常有必要。

1 390 工作面瓦斯地质概况

1.1 地质条件

390 工作面东侧为西Ⅰ运输、轨道、回风下山，北侧为388 工作面采空区，西侧、南侧均为原始煤体，工作面采掘工程平面见图1。390 工作面B4煤层分叉为B4a和B4b两层，工作面开采B4a煤层，工作面范围内B4a煤层厚度0.8～1.6 m，平均煤厚1.1 m，煤层相对稳定，B4b煤层厚度0.3～1.0 m，平均厚度0.6 m；煤层倾角18°～23°，平均倾角20°；B4a煤层与上覆B4b煤层层间距为7.0～11.5 m，平均9.3 m，且由东向西逐渐增厚；工作面可采走向长度为369 m，倾向平均宽度为150 m，可采储量0.083 Mt。采用走向长壁后退式采煤法，爆破采煤工艺，DW18-30/100 型单体液压支柱与DJB1200 型金属铰接梁支护，一次采全高，采高控制在1.3～1.6 m，全部垮落法管理顶板。

图1 390 工作面平面布置

390 工作面B4煤层老顶为细砂岩，厚7.2 m左右；直接顶为炭质泥岩，厚7～11.5 m；伪底为炭质页岩，厚0.4 m；直接底为细粉砂岩，厚5.1 m左右；老底为细粉砂岩，厚24.5 m。

在390 工作面两道及切眼巷道施工过程中，共揭露了5 条正断层，其落差在0.6～1.5 m 之间，其中的F390-5断层斜交于风巷与切眼之间，落差在1.5 m 左右，对工作面回采影响较大。

1.2 瓦斯赋存情况

390 工作面B4a煤层在标高-690.8～-732.6 m范围内采用直接法测定瓦斯含量为7.64～15.30 m3/t，最大瓦斯压力为2.6 MPa（标高-732.6 m），瓦斯放散初速度ΔP 值13，煤的坚固性系数为0.30，煤层透气性系数为0.007 092 m2/MPa2·d[1]。

390 工作面B4a煤层采取穿层钻孔（间排距3 m×3 m）预抽煤巷条带及顺层钻孔（间距3 m）预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施，抽采时间大于90 d，定点取样测定煤层残余瓦斯含量为3.47～4.63 m3/t，均小于临界值6.4 m3/t，且效果检验过程中无喷孔、顶钻等异常情况，瓦斯抽采达标，区域防突措施有效。

2 B4b煤层突出危险性评估

尚庄煤矿B4煤层结构复杂，为突出煤层。矿井已发生突出63 次，累计突出煤量5 808 t，最大突出强度895 t/次，平均突出强度92.2 t/次，始突深度为-283 m。B4煤层上、下分层煤质特征基本一致，均为低（中）灰分、中挥发分、中（高）硫分、特高发热量贫瘦煤，因此，原始状态下的B4b煤层突出危险性大。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，中厚煤层单层开采、中硬岩层、垮落法管理顶板，计算得390 工作面B4a煤层回采时覆岩垮落带理论高度为5.9 m、最小裂缝带理论高度为14.9 m，B4a煤层与上覆B4b煤层平均间距为9.3 m，可知B4b煤层位于390 工作面采空区裂缝带范围内。

《防治煤与瓦斯突出细则》 第六十四条规定，对距本煤层法向距离小于5 m 的平均厚度大于0.3 m 的邻近突出煤层，预抽钻孔控制范围与本煤层相同。390 工作面范围内风巷、顺槽、切眼控制区域B4a煤层与上覆B4b煤层间距为7.1～11.5 m，其正常赋存区域最小间距大于5 m。同时，390 工作面范围内B4a煤层与上覆B4b煤层之间赋存有浅～深灰色泥质粉砂岩，赋存完整稳定。因此，390工作面B4a煤层正常赋存区域开采不受B4b煤层突出危险性影响。另外，390 工作面共揭露了5 条正断层，其落差在0.6～1.5 m 之间，在断层影响下B4a、B4b煤层层间距将减小，但错动后层间距仍大于5 m。因此，390 工作面断层附近局部区域开采受B4b煤层突出危险性影响较小。390 工作面切眼地质剖面见图2。

图2 390 工作面切眼地质剖面

3 工作面瓦斯涌出量预测

390 工作面回采期间瓦斯涌出量包括开采层（B4a煤层）和邻近层（B4b煤层）瓦斯涌出量之和。根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》附录A 计算开采层和邻近层瓦斯涌出量[2-4]。

（1）开采层相对瓦斯涌出量计算

式中：q1为开采煤层相对瓦斯涌出量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，回采率取97%，则K2=1/0.97=1.03；K3为采区准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，经计算取0.83；m 为开采层厚度，平均取1.1 m；M 为工作面采高，取1.3 m；Wc为残存瓦斯含量，2.06 m3/t；W0为煤层瓦斯含量，根据区域防突措施效果检验最大残余瓦斯含量为4.63 m3/t。

经计算得出390 工作面开采层预抽后瓦斯相对涌出量为2.42 m3/t。

（2）邻近层相对瓦斯涌出量计算

式中：q2为邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i 个邻近层煤层厚度，B4b煤层平均煤厚0.6 m；ηi为第i个邻近层瓦斯排放率，根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》[2]附录D，B4b煤层取90%；W0i为第i 个邻近层煤层原始瓦斯含量，取15.3 m3/t；Wci为第i 个邻近层煤层残存瓦斯含量，取2.06 m3/t。

将数据代入（2）式，得出390 工作面邻近层相对瓦斯涌出量为5.5 m3/t。

综上所述，预测得出390 工作面回采过程中相对瓦斯涌出量为7.92 m3/t。

（3）390 工作面绝对瓦斯涌出量计算

390 工作面斜长150 m，平均煤厚1.1 m，日推进最大2 m，煤的容重1.37 t/m3，计算得工作面日产量最大452 t，则工作面绝对瓦斯涌出量为2.48 m3/min。

根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》、《抽采达标暂行规定》相关规定要求，工作面风速不得超过4 m/s，回风流中瓦斯浓度不得超过0.6%。为了确保工作面安全回采，工作面配风量825～900 m3/min，设置回风流浓度预警值为0.9%，根据矿井实际情况瓦斯涌出不均衡系数取1.8，则工作面风排瓦斯量为4.13 m3/min，通风能满足排放瓦斯的要求。

瓦斯相对涌出量预测结果表明，390 工作面回采过程中开采层B4a煤层、邻近层B4b煤层的相对瓦斯涌出量分别为2.42 m3/t、5.50 m3/t，占比分别为30.6%、69.4%。可见，390 工作面回采期间，邻近层B4b煤层瓦斯对工作面回采影响较大，应当采取有效的邻近层瓦斯涌出治理措施。

4 邻近层瓦斯涌出治理措施及效果

为防止B4b煤层对390 工作面回采产生突出威胁，在390 工作面回采期间，采用钻孔循环探测方法，探测工作面前方40 m 范围内的煤层层间距及构造赋存情况[5]，对构造区域采取强化支护方案，当工作面与B4b煤层层间距小于5 m 时，补充B4b煤层消突措施。同时，采用高抽巷抽采B4a煤层、B4b煤层卸压瓦斯，防止回采过程邻近层瓦斯大量涌出和工作面回风隅角瓦斯超限。

4.1 煤层赋存及构造探测

在距离3901 风巷间隔40 m 布置3 条测线，测线上每个循环分别布置1#、2#、3#共3 个探测孔，1#探测孔垂直工作面顶板施工，2#、3#探测孔沿着工作面回采方向施工，分别控制回采前方17 m、45 m 范围煤岩结构及构造赋存情况，并要求穿透B4b煤层顶板1 m。探测孔布置剖面见图3。

图3 390 工作面探测孔布置

390 工作面自2020年11月29日开采至2021年5月底，共进行了5 个循环探测，探测工作面与B4b煤层最小层间距为9.5～10.3 m，均大于5 m，不采取补充B4b煤层消突措施。

4.2 构造区域加强支护要求

构造区加强支护，一方面可以预防漏冒诱发上邻近层煤与瓦斯突出，另一方面能够防止冒落通道的异常瓦斯涌出，390 工作面煤层赋存及构造异常区的加强支护要求如下：

（1）过断层、构造带等特殊地段，π 型梁要求“一梁四柱”，并要求使用好戗棚和戗柱进行支护，架设好戗棚加固，要求“一梁三柱”。

（2）根据工作面内揭露断层的产状以及工作面的方位，合理安排工作面斜交过断层，并根据断层的性质，采用挑顶或抄底的方法过断层。

（3）确保单体液压支柱初撑力不小于11.4 MPa。工作面要及时补充单体，备足扁木、板皮、网等背帮护顶材料。

（4）断层上、下10 m 范围内要控制采高，严禁留顶煤。严格执行“多打眼、少装药、放小炮”的原则过断层。

4.3 高抽巷卸压瓦斯抽采及效果分析

根据390 工作面B4a煤层瓦斯地质条件，390高抽巷布置在B4a煤层顶板上方15～18 m 的岩层中，距离回风巷水平距离约25 m 左右，390 高抽巷卸压瓦斯抽采见图4。管路接好后，高抽巷外口砌筑封闭墙，抽采管路接入地面永久抽采系统。

图4 390高抽巷卸压瓦斯抽采

390 工作面从投产至2021年5月底已沿走向安全回采220 m。高抽巷抽采瓦斯浓度为3%～11%，纯量为1.22～4.1 m3/min，累计抽采纯量55.6 万m3。根据安全监测系统监测数据，随着工作面的推进，回风隅角瓦斯浓度稳定在的0.5%左右，工作面回风瓦斯浓度保持在0.1%～0.38%之间。390 工作面回风瓦斯浓度监测数据见图5。

图5 390 工作面回风瓦斯浓度监测数据

5 结论

1）390 工作面现有构造探测结果显示，断层落差0.6～1.5 m，错动后煤层层间距仍大于5 m，其B4a煤层开采受B4b煤层突出危险性影响较小。

2）相对瓦斯涌出量预测结果得知，390 工作面69.4%的瓦斯涌出来源于邻近B4b煤层，表明390工作面回采期间邻近层B4b煤层瓦斯对工作面回采影响较大。

3）采用高抽巷抽采小间距上邻近层卸压瓦斯效果显著，390 工作面回风瓦斯浓度保持在0.1%～0.38%之间，保证了工作面安全生产。