桑树坪二号井难抽采煤层瓦斯突出特征与防治

迟跃彬,褚俊洁,贾京飞,刘 帅

(陕西陕煤韩城矿业有限公司桑树坪二号井,陕西 渭南 715400)

0 引言

我国二叠-石炭系煤田以瓦斯矿山为主,其突出问题已经严重制约了煤炭资源的开发和利用[1-3]。目前对煤矿瓦斯突出的预报和预警已经进行了大量研究,形成了大量的预警预测模型和体系,在部分矿井也建立了预警监测系统,但是对于瓦斯突出防治方面的技术仍然缺少较为系统的研究[4-6]。保护层-煤体协同开采是当前国际上公认的预防煤与瓦斯突出的有效手段,而我国大部分矿井都不具有保护层开采的条件,大多依靠对煤层进行预抽采来降低采动过程中的突出风险[7-9]。

目前已知的预抽方法有多种,其效果与煤岩体的渗透系数、钻孔布置、封孔工艺、成孔效果、预抽时间等因素有关,要想从根本上杜绝煤与瓦斯突出问题需要合适的预抽方法[10-11]。为此,以桑树坪二号井3号难抽采煤层为工程背景,通过对该矿井瓦斯赋存特征、影响因素和防治措施的分析,以期为进一步防治该矿井的突出灾害提供依据,同时为渭北煤矿及国内类似煤矿的安全生产提供借鉴。

1 工程概况

桑树坪矿井地处韩城矿床的北缘,煤层倾角为5°左右,地质构造属伸展构造。大部分区段的地层倾角发生了较大的改变,并有向斜、扰曲和层滑等多种类型的构造。3号煤层位于山西组中、下段,煤层平均厚度为6 m,构造相对单一,3号煤层的含水量平均为0.99%,属于低灰-中等灰的煤种,总挥发分为16.56%。在较低温度下,煤的基本热值为33.35 MJ/kg。3号煤层属近水平煤层,标高为+197～+458 m,瓦斯含量为3.06～13.49 m3/t,平均为7.67 m3/t,煤的最小坚硬系数为0.1,透气系数为0.018 8～0.027 3 m2/(MPa2·d),透气性差,属难抽采煤层。桑树坪二号井11号煤层的瓦斯含量波动较大,波动范围在3.41～19.07 m3/t,瓦斯含量以3～7 m3/t为主,占60.1%。其中,中、高瓦斯点最多,中瓦斯级点占总瓦斯级的55.9%,低瓦斯级点占42%,富、高瓦斯级点占2.1%。

矿井从北到南,共分为北二、北一、南一3个采区。北二采区开采走向为2～3 km,倾向为1.5～2.2 km,采区的长度在120～170 m,采用倾斜长壁和走向长壁2种形式布置。该矿在防治瓦斯方面,始终坚持以开采保护层为主,近年来,对2号煤层做上保护层、11号煤层做下保护层进行了试验研究,并获得了较好的技术应用效果。随着开采的进行,因2号煤层上部保护层局部变薄,无法采出,而下部11号煤层含硫量较高,又面临底板奥灰水的威胁,无法采出,3号煤层开采时无法再进行保护层开采。

2 桑树坪煤矿难抽采煤层瓦斯突出特征

从1978年10月7日—2019年12月,桑树坪煤矿已累计出现了123次不同类型的瓦斯突出。比较典型的突出事件有2次。第一次突出发生在南一采区+370输送中巷5号溜煤眼,其暴露范围为0.8 m2,煤体约40 t,导致1人丧生2人受伤;最严重的一次突出事件发生在2015年7月6日凌晨5时56分,位于3314综采联络巷,瓦斯突出量达到了11 232 m3,突出煤体约为520 t,导致4人丧生,直接财产损失近千万元。

通过对有关数据的梳理和分析,发现目前只有3号煤层发生突出事故,2号和11号煤层以前没有出现过,推测与煤层赋存的深浅有关;桑树坪矿区瓦斯突出类型主要有突出、压出、倾出,其中以压出型居多,达67次,占比55%。其中突出44次,占比45%,这说明该矿井的突出动态过程主要是由地应力引起的,其次是由煤层瓦斯压力引起的;突出程度较轻,多为中小规模,在123次的突出中,有119次的突出煤体在500 t以下,占比98.4%,其中发生了2次超过500 t的煤体突出,占比仅1.6%。从突出位置来看,煤巷居多,其数量占比约为75%,工作面和石门的突出占比仅为20%和5%,并且煤巷中出现了一些延迟的突出,突出无规律。各个采区内均出现过突出现象,并主要位于地质异常区。大部分的突出预兆较为显著,这也是该矿的一大特征;其预兆可分为2类,一类为声音类,如劈裂声,雷鸣,煤炮轰鸣,煤岩壁摇晃崩塌,棚柱断裂,瓦斯间歇喷射,嘶嘶作响等;另一类为无声,包括煤壁外鼓、顶板下沉、气温降低等。

3 桑树坪煤矿防突措施

3.1 南一采区区域防突措施

3.1.1 保护层开采措施

3号煤层采用保护层与卸压瓦斯抽采相配合的方法。在工作面底板法向距离20 m处,设置1条岩巷,该巷道大致处于工作面中间部位。岩巷中每隔40 m设置一个钻场,钻场上打穿层孔,预抽煤巷条带上的瓦斯,钻进3号煤层工作面两顺槽及切眼巷道围界外侧15 m以上。钻孔按走向布置,间排距为20 m×20 m,直径为φ94 mm,封孔的深度不低于12 m,排列方式如图1所示。

图1 钻孔布置

3.1.2 后期不再开采保护层

后期不再开采保护层,主要在底板岩石巷道中施加贯穿岩层钻孔预抽采瓦斯,包括在上区段3号煤层的顺槽中钻孔,钻孔直径94 mm,位置位于顺槽廓线外15 m。在3号煤层的底部20 m处设置顺槽和切眼底瓦斯抽采巷,形成全风压通风。顺槽底板巷内错顺槽20 m,切眼底板巷正对切眼布置。在顺槽底板巷中,采用水力冲孔法将煤巷中的条带瓦斯预先抽出;在切眼的底板巷中,采用穿层钻孔将煤巷中的条带瓦斯预先抽出。钻孔控制范围为巷道周边15 m左右,钻孔的方式为三花式,孔距为6 m×6 m,钻孔布置如图2所示。

图2 两顺钻孔、切眼钻孔布置示意

顺槽掘进时采用顺层交叉钻孔对回采区内的瓦斯进行预抽,钻孔间距由煤层厚度和抽采半径决定,钻孔位置在停采线20 m以外,钻孔孔径为φ94 mm,穿层钻孔孔深10 m,顺层钻孔15 m。在回采过程中同时采用高位钻孔预抽采空区瓦斯,防止采空区积聚瓦斯导致上隅角瓦斯超限。

3.2 北一采区区域防突措施

北一采区仅有3号煤层进行了回采,留下4321和4322这2个回采工作面未进行回采。4321采面在上区段煤层的顺层钻孔中进行预抽采,以保证回顺巷道的顺利掘进,在底板的穿层钻孔中进行预抽采,降低运顺条带和回采区域瓦斯,以保证回采的顺利进行。

3.2.1 煤巷上区段顺层钻孔预抽防突措施

在4319风巷一帮钻顺层钻孔。孔位距离4319回顺段的底板溜煤眼30 m,高度1.5 m,仰角6°,偏角5°,孔距3 m,深度50 m,在4321回风巷以外15 m以上。

3.2.2 底板穿层钻孔预抽防突措施

在3号煤层底部20 m处,分别设置了运顺和切眼底板的瓦斯抽采巷,采用全风压通风。运顺切眼底板巷全部沿煤巷方向排列。为保护上部煤巷的安全,钻孔采用水力冲孔法,以三点式排列,孔距为6 m×6 m,如图3所示。通过对顺层钻井的研究发现,在采煤面上300 m以内的钻孔没有达到设计标准,在运顺侧的孔深为40 m,在回顺侧的孔深为50 m,在中间有80 m左右没有钻孔,形成了一个空区。结合矿井实际,确定通过穿层钻孔预先抽采方法来处理空区瓦斯突出问题。

图3 钻孔布置剖面示意

3.2.3 两顺层钻孔预抽回采区域瓦斯

顺槽开挖时,在两顺层上布置交叉钻孔,对回采区域煤层进行预先抽采,钻孔的间距由煤层厚度和抽采半径决定,钻孔位置在停采线20 m以外,钻孔孔径为φ94 mm,穿层钻孔孔深10 m,顺层钻孔孔深15 m。在回采过程中边采边抽,其中顺层钻孔预抽掩护回顺开挖,穿层钻孔预抽降低运顺条带和回采区域瓦斯。

3.3 局部综合防突措施

3.3.1 煤巷掘进工作面局部综合防突措施

从桑树坪矿区的实际条件出发,使用直径φ94 mm的抽放钻孔,在开采面上进行深孔抽放,其孔深控制在巷道掘进面前17 m,最后孔位控制在巷道口两侧轮廓线外5 m以内。图4为超前排放钻孔的排列情况。在完成全部的排放钻孔,并且满足排放时间之后,还要对各项措施的效果进行检测。如检测指标超过了标准,需要对其进行补充(补孔、延长抽采时间等),直到瓦斯突出值下降到临界值之下或者没有任何的异常现象。

图4 超前排放钻孔平面布置示意

3.3.2 采煤工作面防突措施

在回采中,由于对该煤层的抽采结果不理想,部分部位的钻孔管理不当以及受地质结构等因素的作用,导致回采后测得的参数值超出预计值,需对该部位进行局部防突处理。在采场支护中,可以选择采用钻孔超前放空、瓦斯预抽、松动爆破、注水湿润等方法。桑树坪煤矿采取了以浅表钻孔提前放水为主要手段的局部防治方法。在工作面布置一排钻孔,钻孔孔径42 mm,钻孔的有效水平投影长度为8 m。将全部超前排放钻孔、预抽瓦斯钻孔布置完毕之后,结合实际状况来研究和决定排放、预抽时间,在实现期望的抽排目标之后,才能对措施的效果进行测试。

4 桑树坪煤矿防突效果检验

4321工作面实验巷道长1 400 m,试验完成后对区域措施效果进行检测,每个评价单元扩出煤屑率及残余瓦斯含量测定的结果具体如图5所示。可以看出,裂隙岩层中的碎屑含量为1.2%～6.4%,残余瓦斯含量为4.20～7.12 m3/t。3#～6#钻场的钻孔控制区为水射流扩管实验,在前期对扩出煤屑率没有进行现场管控的时候,在现场实际扩出煤屑率只有1.2%～2.4%,在进行了长期的预抽采后,现场结果显示,残余瓦斯浓度只有4.20～5.63 m3/t。但是在施工中,因为地应力没有完全卸载,仍有部分地区的预报指数超过了极限,甚至有喷孔卡钻的情况发生。

图5 扩孔钻孔预抽煤层瓦斯监测数据曲线

通过对3#～6#钻场下采掘工作面钻屑量的计算,得出了相应的岩体应力指数,如图6所示。从实测结果来看,由于扩出煤屑率不高,未能对煤层中的地应力进行有效消除,在掘进区遭遇小结构、软弱煤层时,在采场区内确认测得的钻屑量S出现了数次超限,在采取了对采场进行提高扩出煤屑率预抽采等方法后(其中扩出煤屑率达到了5.1%),煤巷可进行安全开挖。

图6 3#～6#钻场钻孔控制范围区域钻屑量指标测定情况

如图7所示,16#和23#钻孔总体上有3%～5%的扩出煤屑率,曾在靠近地质结构的地方发生了钻屑量S指数的超限。在17#、19#钻场的扩出煤屑率大于5%时大部分的残余瓦斯含量在6.18～6.71 m3/t,说明在地质构造、煤厚变化较大的地区,没有出现任何指数超限或有突出预兆的情况。可以看出,只要对煤层进行了足够的卸压,其钻屑量都是很小的,甚至在开采时,碰到了一些小的地质结构区,其钻屑量也没有出现明显变化。

图7 7#～19#钻场钻孔控制范围区域钻屑量指标测定情况

在4321工作面未采用预抽煤巷条带瓦斯等局部防突技术前,该工作面月进尺最高只有60 m。在采用综合防突技术后在安全掘进完1 000 m煤巷时,工作面运输巷月进尺最高能达到120 m,安全掘进速度大大提高。

5 结论

根据桑树坪矿井的实际情况,提出了“南一采区3号煤层”采取“11号煤层下保护层采场”的技术方法,并与“11号煤层”下保护层采动相配合,在保护层采动中达到卸压裂解的目的,从而达到防治“3号煤层”的目的。在北采区,利用水压冲钻预抽瓦斯,对井巷内的煤层气进行了局部预防,并对井巷内的煤层气进行了预抽。防突效果表明,针对桑树坪煤矿瓦斯突出特点提出以深井提前抽采为手段的区域和局部防突措施,现场应用效果良好。