李 奇

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

特厚煤層首分層采后煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性研究

李 奇1,2

(1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

從單項(xiàng)指標(biāo)區(qū)域預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、本煤層殘余瓦斯含量突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、首分層開(kāi)采后下分層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面，綜合評(píng)定了老虎臺(tái)煤礦礦井目前采區(qū)工作面煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，為礦井采掘工作面防突提供了可靠依據(jù)。

特厚煤層 分層開(kāi)采 煤與瓦斯突出 評(píng)價(jià)

對(duì)于高瓦斯突出礦井，在采掘前必須制定區(qū)域綜合防突措施和局部綜合防突措施，通過(guò)對(duì)采取防突措施區(qū)域煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性的研究，確定所采取的防突措施是否有效可靠，進(jìn)而保障礦井安全生產(chǎn)，防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生。

1 礦井概況

老虎臺(tái)礦位于撫順煤田中部，主采煤層為本層煤，由2～38個(gè)分層組成，煤厚0.6～110.5 m，平均55～75 m。

現(xiàn)生產(chǎn)水平為-830和-730 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。礦井現(xiàn)有三個(gè)回采面和一個(gè)準(zhǔn)備面，分別為63003#綜放面、38001#復(fù)采綜放面、73004#準(zhǔn)備面和83002#工作面。采掘工作面平面見(jiàn)圖1。

2 礦井煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

2.1 單項(xiàng)指標(biāo)區(qū)域預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

區(qū)域預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性指標(biāo)可根據(jù)煤的破壞類(lèi)型、瓦斯放散速度(△P)、煤的堅(jiān)固性系數(shù)(f)和煤層瓦斯壓力(P)進(jìn)行判定，當(dāng)全部指標(biāo)達(dá)到臨界值時(shí)即可劃為突出危險(xiǎn)區(qū)域[1-3]，如表1。

圖1 老虎臺(tái)礦采掘工程平面圖

表1 單項(xiàng)指標(biāo)臨界值

老虎臺(tái)礦東、中、西3個(gè)采區(qū)煤樣單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表2，△P與f值分布如圖2、圖3所示。

上分層開(kāi)采后下分層(四分層)各水平的瓦斯壓力下降明顯，遠(yuǎn)小于0.74 MPa。從單項(xiàng)指標(biāo)看，東、中、西采區(qū)單項(xiàng)指標(biāo)均未超過(guò)臨界值，說(shuō)明上分層開(kāi)采后下分層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性已解除。

表2 區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

圖2 △P值分布

圖3 f值分布

2.2 本煤層殘余瓦斯含量突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

采用直接法在東、中、西各采區(qū)不同地點(diǎn)測(cè)定了本層煤殘余瓦斯含量(見(jiàn)表3)，利用間接法計(jì)算出各水平的瓦斯含量(見(jiàn)表4)。從表4看出，上分層未開(kāi)采之前本層煤的瓦斯含量較高，在-530 m水平以下瓦斯含量遠(yuǎn)大于8.0 m3/t。而表3當(dāng)上分層開(kāi)采卸壓后，下分層瓦斯含量明顯降低，殘余瓦斯含量遠(yuǎn)低于規(guī)定值，也遠(yuǎn)低于該礦本煤層始突瓦斯含量(8.59 m3/t)，說(shuō)明上分層開(kāi)采后已消除了下分層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

首分層開(kāi)采(78001綜放面)后，二分層綜放工作面(78002綜放面)的相對(duì)瓦斯涌出量?jī)H為首分層開(kāi)采時(shí)的1/4左右，間接說(shuō)明卸壓作用使煤層瓦斯含量大大降低。

2.3 工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.3.1 歷次測(cè)值統(tǒng)計(jì)分析

采用鉆屑量S和瓦斯解吸指標(biāo)Δh2作為工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)，歷次資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4～圖6所示。

表3 東、中、西各采區(qū)本層煤(四分層)殘余瓦斯含量測(cè)定結(jié)果

表4 各水平平均瓦斯含量計(jì)算表

圖4 東區(qū)突出指標(biāo)百分比

圖5 中區(qū)突出指標(biāo)百分比

圖6 西區(qū)突出指標(biāo)百分比

通過(guò)對(duì)歷次工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)分析，東中西各采區(qū)都在臨界值范圍內(nèi)，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)已經(jīng)消除。

2.3.2 現(xiàn)采煤體井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

東區(qū)55002準(zhǔn)備綜采面各點(diǎn)突出實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表5，中區(qū)73004準(zhǔn)備面各點(diǎn)突出實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表6，西區(qū)83002綜放面各點(diǎn)突出實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表7。

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，在各個(gè)采區(qū)中鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)max△h2為40 Pa，min△h2為10 Pa；鉆屑量指標(biāo)maxS為3.4 kg/m，minS為1.4 kg/m，兩項(xiàng)指標(biāo)均未超標(biāo)。

表5 東區(qū)55002準(zhǔn)備綜放面各地點(diǎn)突出指標(biāo)實(shí)測(cè)值

注：△h2單位為Pa;S單位為kg/m。

表6 中區(qū)73004準(zhǔn)備面各地點(diǎn)突出指標(biāo)實(shí)測(cè)值

注：△h2單位為Pa;S單位為kg/m。

表7 西區(qū)83002綜放面各地點(diǎn)突出指標(biāo)實(shí)測(cè)值

注：△h2單位為Pa;S單位為kg/m。

2.4 首分層采后下分層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

老虎臺(tái)礦是單一特厚緩傾斜和傾斜煤層，煤層傾角小于25°，采面至上而下分層開(kāi)采，開(kāi)采上分層來(lái)保護(hù)下分層采、掘工作面(見(jiàn)圖7)。

圖7 保護(hù)層選擇示意

通過(guò)分析83002、73004及55002工作面的區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)、煤層殘余瓦斯含量及工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果，并綜合考慮63001#保護(hù)63003#，78001#保護(hù)78002#，68002#西保護(hù)73003#，78001#、78002#、83001#保護(hù)83002#等采區(qū)的保護(hù)效果，說(shuō)明老虎臺(tái)礦東、中、西采區(qū)在上分層開(kāi)采后，下分層區(qū)域單項(xiàng)突出指標(biāo)(△P、f、P及煤的破壞類(lèi)型)沒(méi)有超標(biāo)，工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)(△h2和S)均未超標(biāo)。由此可判定老虎臺(tái)礦東、中、西采區(qū)的本層煤在上分層(二、三或四分層)開(kāi)采后，下分層(三、四或五分層)在保護(hù)范圍內(nèi)已消除了突出危險(xiǎn)，可按無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)管理。

3 老虎臺(tái)礦突出機(jī)理淺析

根據(jù)煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)分析(不包括鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象)，老虎臺(tái)礦21次煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象均發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū)域。其中14次突出動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生在F26、F25等大型斷層的交接部位；3次突出動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生在有火成巖侵入煤層的拐點(diǎn)處(B層煤)，2次突出動(dòng)力現(xiàn)象發(fā)生在向斜軸附近破碎帶處，其余2次均發(fā)生在小的斷裂構(gòu)造或軟分層處(見(jiàn)表8)。

通過(guò)表7可知，突出點(diǎn)按構(gòu)造線分布，21次動(dòng)力現(xiàn)象中有16次是沿?cái)鄬訕?gòu)造線分布的(斷層處100 m以?xún)?nèi))，突出點(diǎn)發(fā)生在煤層的向斜軸、扭曲處、煤層拐點(diǎn)和火成巖侵入處、碎粒煤、“爐灰煤”及軟、硬煤(巖)的接觸處。在采掘形成的應(yīng)力集中地區(qū)，如鄰近層的煤柱上、下區(qū)域、相向采掘接近區(qū)、巷道開(kāi)口處或貫通前等地點(diǎn)，突出危險(xiǎn)性劇增。落煤時(shí)，尤其在爆破時(shí)，突出危險(xiǎn)性因煤體受震動(dòng)而增加，受其它強(qiáng)烈震動(dòng)(沖擊地壓影響)也可導(dǎo)致煤與瓦斯突出[4]。

表8 老虎臺(tái)礦歷年煤與瓦斯突出統(tǒng)計(jì)

據(jù)煤與瓦斯突出機(jī)理的假說(shuō)，煤與瓦斯突出是地應(yīng)力、瓦斯和煤體物理力學(xué)性質(zhì)三個(gè)因素綜合作用的結(jié)果,也是時(shí)間、空間因素達(dá)到適當(dāng)組合的結(jié)果。揭露煤體后或在煤層中進(jìn)行采掘工作，受外界因素影響，如支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)質(zhì)量差，高冒垮落后破壞了煤體及新的平衡狀態(tài)，激發(fā)了煤層內(nèi)儲(chǔ)存能的釋放；同時(shí)垮落后又破壞了煤層的完整性，降低了煤層中煤體的強(qiáng)度，導(dǎo)致突出發(fā)生，即延時(shí)突出[5-6]。

老虎臺(tái)礦的延時(shí)突出多發(fā)生在構(gòu)造區(qū)域，其主要原因是處于地質(zhì)構(gòu)造帶的煤受到強(qiáng)烈的地質(zhì)變化作用后，結(jié)構(gòu)遭到破壞，改變了煤層原有的儲(chǔ)存與排放瓦斯條件；另外，由于結(jié)構(gòu)變化、構(gòu)造帶附近存在較高的構(gòu)造應(yīng)力，加之煤層自身強(qiáng)度降低，造成有利于產(chǎn)生突出的一系列因素，同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力在平衡過(guò)程中失穩(wěn)也導(dǎo)致了突出的延時(shí)。

老虎臺(tái)礦沖擊地壓發(fā)生后引發(fā)煤與瓦斯突出的延遲時(shí)間很短，幾乎同時(shí)發(fā)生，其中3次煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象中，只有一次是在沖擊地壓發(fā)生后的 5 min 內(nèi)發(fā)生的。

4 結(jié)論與建議

(1)老虎臺(tái)礦東、中、西各采區(qū)采動(dòng)后的本層煤(四分層)實(shí)測(cè)瓦斯含量最大值為2.39 m3/t，最小值1.3 m3/t，平均1.72 m3/t，遠(yuǎn)低于規(guī)定值，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于老虎臺(tái)礦的本層煤始突瓦斯含量(8.59 m3/t)，說(shuō)明上分層開(kāi)采后保護(hù)了下分層，消除了煤與瓦斯的突出危險(xiǎn)性。

(2)對(duì)比分析83001和83002工作面鉆屑指標(biāo)S和△h2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可看出83001具有突出危險(xiǎn)性，而83002已經(jīng)消除突出危險(xiǎn)性，主要原因是83001工作面是位于頂分層采面，回采原生煤體，沒(méi)有開(kāi)采保護(hù)層的卸壓保護(hù)條件；而83002受到78002#、83001#工作面的開(kāi)采保護(hù)，突出指標(biāo)沒(méi)有超標(biāo)，突出危險(xiǎn)性已經(jīng)消除，進(jìn)而說(shuō)明在上部分層(首分層)開(kāi)采后,下分層(二分層)在保護(hù)范圍內(nèi)突出危險(xiǎn)性已經(jīng)消除。

(3)分析老虎臺(tái)礦東、中、西采區(qū)在上分層開(kāi)采后，下分層區(qū)域單項(xiàng)突出指標(biāo)未超標(biāo)，工作面突出預(yù)測(cè)指標(biāo)均未超標(biāo)(△h2和S)，由此可判定老虎臺(tái)礦東、中、西采區(qū)的本煤層在上部分層(二、三或四分層)開(kāi)采后，下部分層(三、四或五分層)在保護(hù)范圍內(nèi)已經(jīng)消除了突出危險(xiǎn)，可按無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)管理。

(4)通過(guò)分析,認(rèn)為老虎臺(tái)礦煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象規(guī)律較為明顯，主要特征是大部分突出發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域且具有延時(shí)性。同時(shí)對(duì)老虎臺(tái)礦延時(shí)突出機(jī)理及開(kāi)采上保護(hù)分層消突機(jī)理進(jìn)行了分析。

(5)建議老虎臺(tái)礦加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)工作，在構(gòu)造破壞帶應(yīng)連續(xù)進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[2] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ 1024—2006煤與瓦斯突出礦井鑒定規(guī)范[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

[3] 孫學(xué)會(huì).撫順煤礦瓦斯綜合治理與利用[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

[4] 趙全福.煤礦安全手冊(cè)：第二篇[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[5] 于不凡.開(kāi)采保護(hù)層的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.

[6] 于不凡.煤和瓦斯突出機(jī)理[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1985.

Research on Coal and Gas Outburst Hazard of Extra-thick Coal Seam After First Stratified

Li Qi1,2

(1.Shenyang Branch of China Coal Research Institute;2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology)

The coal and gas outburst hazard is evaluated comprehensively from the prospective of the single index evaluation, regional prediction of residual gas content of the coal seam outburst danger evaluation, risk evaluation ofworking face outburst danger prediction index, the first layer after mining working face of coal and gas outburst risk evaluation part layer outburst risk evaluation index prediction, so as to provide a reliable basis for preventing the coal and gas outburst in tunneling face.

Extra-thick coal, Layer mining, Coal and gas outburst, Evaluation

2014-11-19)

李 奇(1985—)，男，助理研究員，110016 遼寧省沈陽(yáng)市。