段現(xiàn)軍 蔣承林

(1.河南神火集團(tuán)梁北煤礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

立井揭穿不穩(wěn)定薄煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法

段現(xiàn)軍1蔣承林2

(1.河南神火集團(tuán)梁北煤礦；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院)

針對(duì)立井揭穿不穩(wěn)定薄煤層的特殊情況，科學(xué)論證并優(yōu)選突出預(yù)測(cè)方法，測(cè)定瓦斯突出參數(shù)時(shí)，在控制鉆孔深度的前提下進(jìn)行了循環(huán)鉆進(jìn)注漿，在防止?jié){液滲透到煤體的同時(shí)，對(duì)較破碎頂板巖層進(jìn)行了有效封堵，準(zhǔn)確測(cè)定了煤層瓦斯壓力和含量，科學(xué)預(yù)測(cè)了揭煤工作面的突出危險(xiǎn)性。結(jié)果表明：瓦斯突出參數(shù)測(cè)定和瓦斯突出預(yù)測(cè)結(jié)果均較為準(zhǔn)確。

立井揭煤 薄煤層 瓦斯突出參數(shù) 瓦斯突出預(yù)測(cè) 循環(huán)鉆進(jìn)注漿 瓦斯壓力

目前，煤與瓦斯突出已成為我國(guó)礦井災(zāi)害事故的主要表現(xiàn)形式，特別是在石門(mén)及井筒揭煤過(guò)程中發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性較大，在立井揭煤過(guò)程中進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)十分必要[1]。瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于預(yù)測(cè)指標(biāo)的選擇及有效確定，即如何準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯壓力及煤層瓦斯含量[2-4]，在上覆巖層比較破碎、賦存不穩(wěn)定的薄煤層條件下準(zhǔn)確測(cè)定瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)的難度更大。因此，有必要制定科學(xué)合理的方案對(duì)煤層瓦斯壓力等突出參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

1 項(xiàng)目概況

梁北煤礦位于河南省禹州市城南6 km，礦井主采二1煤層，為煤與瓦斯突出礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.90 Mt/a，根據(jù)礦井技改方案，在礦井北部邊界施工北翼進(jìn)風(fēng)井和北翼回風(fēng)井，進(jìn)風(fēng)井井口設(shè)計(jì)標(biāo)高+115 m，設(shè)計(jì)深度559 m，凈直徑6.5 m，基巖段井筒荒徑7.6 m。井筒上部236.9 m采用凍結(jié)法施工，236.9～559 m為正常基巖段，采用普通鉆爆法施工，井壁結(jié)構(gòu)為素混凝土結(jié)構(gòu)/鋼筋混凝土+錨網(wǎng)噴結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。進(jìn)風(fēng)井將首先揭穿二3煤層，進(jìn)風(fēng)井井檢孔見(jiàn)二3煤層為0.5 m厚的薄煤層，回風(fēng)井井檢孔未見(jiàn)明顯的二3煤層，僅見(jiàn)1層炭質(zhì)泥巖，說(shuō)明二3煤層為一賦存不穩(wěn)定的薄煤層，兩井筒相對(duì)位置見(jiàn)圖1。

2 突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法及優(yōu)化

2.1 二3煤層賦存情況

在井筒距煤層最小法距20 m時(shí)施工了5個(gè)穿過(guò)煤層全厚的前探測(cè)鉆孔，探鉆孔施工探明了煤層位置、產(chǎn)狀，前探鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。前探鉆孔揭示結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)井二3煤層較薄，且賦存較不穩(wěn)定，最厚處僅0.75 m，局部仍未見(jiàn)到明顯的煤層，由于鉆孔施工過(guò)程中采用水力排渣，未見(jiàn)到煤層的鉆孔也可能是由于煤層太薄，表現(xiàn)不明顯，給瓦斯突出預(yù)測(cè)參數(shù)測(cè)定及危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)帶來(lái)了極大困難。

圖1 梁北煤礦北翼風(fēng)井相對(duì)位置

表1 北翼進(jìn)風(fēng)井揭穿二3煤層前探鉆孔參數(shù)

2.2 瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及參數(shù)測(cè)定方法

由于立井揭煤預(yù)測(cè)時(shí)與煤層法向距離較遠(yuǎn)，且鉆孔為傾角較大的下行孔，鉆屑取樣量較少，受影響的因素較多，易造成預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。為此，根據(jù)梁北礦區(qū)的實(shí)際情況，選用綜合指標(biāo)法及初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)對(duì)北翼進(jìn)風(fēng)井的瓦斯突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，若其中有一種方法預(yù)測(cè)出瓦斯突出危險(xiǎn)性，那么即可判斷北翼進(jìn)風(fēng)井揭二3煤層存在瓦斯突出危險(xiǎn)性。無(wú)論是綜合指標(biāo)法還是初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)均需測(cè)定煤層瓦斯壓力，因此，煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量測(cè)定是此次立井揭煤瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。就此次立井揭煤來(lái)講，參數(shù)測(cè)定的難點(diǎn)有：

(1)煤層瓦斯壓力測(cè)定難度較大。二3煤層的頂板破碎較嚴(yán)重，采用常規(guī)方法難以準(zhǔn)確測(cè)定出煤層的瓦斯壓力，若在見(jiàn)煤后注高壓水泥漿，對(duì)上覆巖層進(jìn)行預(yù)先加固處理并封堵頂板裂隙，則較為可行。但梁北煤礦北翼井風(fēng)井二3煤層較薄，且賦存不穩(wěn)定，水泥漿在高壓作用下會(huì)滲透進(jìn)煤層，將煤層固化，甚至將煤層原有的裂隙封堵，大大降低了煤層的滲透性，造成瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果偏小，誤判瓦斯突出危險(xiǎn)性。

(2)瓦斯含量測(cè)定取樣困難。瓦斯含量測(cè)定的關(guān)鍵在于取樣，傳統(tǒng)的巖心管取樣僅適合于上行孔，由于煤層松軟、強(qiáng)度不高，在巖芯管的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)破壞煤體，使煤樣無(wú)法留存于巖芯管內(nèi)，下行孔內(nèi)的積水也會(huì)導(dǎo)致煤樣較濕或取不出煤樣，造成煤樣解吸前期的損失量過(guò)大。

(3)初始釋放瓦斯膨脹能的測(cè)定需要準(zhǔn)確的煤層瓦斯壓力數(shù)值，并取得正常的煤樣，若瓦斯壓力測(cè)定不準(zhǔn)確或無(wú)法取得正常的煤樣，便無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定出初始釋放瓦斯膨脹能值。

2.3 參數(shù)測(cè)定方法優(yōu)化

(1)測(cè)定瓦斯壓力時(shí)，有必要采用高壓注漿法對(duì)上覆巖層進(jìn)行預(yù)先處理，為防止高壓漿液滲入煤層中，應(yīng)采用分段循環(huán)注漿法，即鉆孔到達(dá)一定位置(不見(jiàn)煤)后進(jìn)行注漿，水泥漿凝固后掃孔至比原鉆孔深度深1 m時(shí)停鉆，若在這1 m范圍內(nèi)未見(jiàn)到煤層，則繼續(xù)注漿操作，并按上述方法反復(fù)施工，反之若見(jiàn)煤層，則穿透煤層并進(jìn)入煤層底板1 m后停止鉆進(jìn)，排除孔內(nèi)積水，進(jìn)行封孔測(cè)壓。

(2)測(cè)定煤層瓦斯含量取樣時(shí)，為防止取出的煤樣內(nèi)水分過(guò)多，在可預(yù)見(jiàn)的深度(不見(jiàn)煤)內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)采用水力排渣，超過(guò)該深度則采用風(fēng)力排渣，見(jiàn)煤時(shí)在孔口取煤樣并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸，之后帶回地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行殘余含量的解吸工作；為防止工作面積水影響取樣工作，可預(yù)先固定一孔口管，孔口管高于工作面0.5 m。

3 瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

3.1 瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

距煤層頂板法距10 m時(shí)，施工了4個(gè)測(cè)壓鉆孔測(cè)定二3煤層的瓦斯壓力(2#孔未見(jiàn)煤，后補(bǔ)1個(gè)測(cè)壓孔)，鉆孔參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，測(cè)壓鉆孔布置方法見(jiàn)圖2。

表2 梁北煤礦北翼進(jìn)風(fēng)井揭穿二3煤層測(cè)壓鉆孔參數(shù)

圖2 測(cè)壓鉆孔布置

在距煤層頂板法距10 m時(shí)，測(cè)定了煤層瓦斯含量，同時(shí)利用取得的煤樣測(cè)定了初始釋放瓦斯膨脹能指標(biāo)，并利用測(cè)定的突出參數(shù)計(jì)算了綜合指標(biāo)D、K值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 梁北煤礦北翼進(jìn)風(fēng)井二3煤層突出參數(shù)

由表3可知：瓦斯壓力、瓦斯含量和初始釋放瓦斯膨脹能、D值等單項(xiàng)指標(biāo)均未超過(guò)臨界值，K值遠(yuǎn)小于臨界值是由于二3煤層較破碎。綜合上述指標(biāo)可預(yù)測(cè)北翼進(jìn)風(fēng)井揭穿二3煤層時(shí)無(wú)突出危險(xiǎn)性。

3.2 區(qū)域驗(yàn)證及工作面驗(yàn)證

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，預(yù)測(cè)為無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)性的井筒及石門(mén)揭煤工作面在距煤層最小法距5 m和2 m時(shí)應(yīng)進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證和工作面驗(yàn)證，驗(yàn)證指標(biāo)為鉆屑指標(biāo)及煤層殘余瓦斯含量。由測(cè)定預(yù)測(cè)指標(biāo)可知，均為無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)性工作面。局部預(yù)測(cè)之后，開(kāi)始正常程序放炮揭煤，由井口安裝的甲烷傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，瓦斯涌出量較小，最大瓦斯?jié)舛葍H0.16%，放炮后也未發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象，揭開(kāi)二3煤層后發(fā)現(xiàn)該煤層較薄，厚0.2～0.8 m，賦存極不穩(wěn)定，頂?shù)装迤鸱^大，與前探鉆孔揭示結(jié)果較吻合。

4 結(jié) 論

(1)立井揭煤瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)的測(cè)定，只有參數(shù)測(cè)定的結(jié)果準(zhǔn)確，才能為瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

(2)不論在簡(jiǎn)單的地質(zhì)條件還是在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，利用高壓注漿法對(duì)底層進(jìn)行處理，是煤層瓦斯壓力測(cè)定過(guò)程中不可或缺的工序。

(3)賦存不穩(wěn)定的薄煤層在進(jìn)行瓦斯突出預(yù)測(cè)及參數(shù)測(cè)定時(shí)，有必要制定科學(xué)合理的方案。

(4)梁北煤礦北翼進(jìn)風(fēng)井二3煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方案具有可行性，為相鄰回風(fēng)井揭穿二3煤層提供了經(jīng)驗(yàn)，可為類(lèi)似礦區(qū)薄煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供參考。

[1] 張超杰，蔣承林.多立井揭煤聯(lián)合區(qū)域防突措施的實(shí)踐與探索[J].煤炭技術(shù)，2015(5)：144-146.

[2] 林柏泉.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011．

[3] 盧曉勇.近煤層巖巷掘進(jìn)防治煤與瓦斯突出技術(shù)探討[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(7)：146-148.

[4] 曹 鵬，潘 霄，曹 軍.不同埋管深度抽采采空區(qū)瓦斯分布及運(yùn)移規(guī)律研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(7)：124-127.

2015-09-23)

段現(xiàn)軍(1968—)，男，總工程師，高級(jí)工程師，461670 河南省禹州市。