鄧華易，胡 杰，肖 喬

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市沙坪壩區(qū)，400037；3.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

煤與瓦斯突出嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)，目前對(duì)煤層消突大多礦井采用大面積鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的方法[1-4]。雖然煤層經(jīng)鑒定或認(rèn)定為突出煤層，但可能發(fā)生突出危險(xiǎn)性的區(qū)域僅占煤層的一部分或僅在地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域附近。而對(duì)突出煤層盲目采用大面積煤層瓦斯預(yù)抽防突措施，必然會(huì)增加礦井采掘失調(diào)緊張局面，同時(shí)導(dǎo)致鉆孔工程量嚴(yán)重浪費(fèi)。煤層突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是瓦斯預(yù)抽的關(guān)鍵，決定著瓦斯預(yù)抽范圍及工程量。而突出煤層工作面分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)的提出正好彌補(bǔ)了礦井盲目采用瓦斯預(yù)抽防突措施的不足，同時(shí)可避免傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法因預(yù)測(cè)面積大、巷道開拓不到位、預(yù)測(cè)鉆孔少等因素而未有效控制到煤層突出區(qū)域或地質(zhì)構(gòu)造帶的問(wèn)題[5-8]。

以四川夏泉煤礦8號(hào)突出煤層四采區(qū)4801工作面為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)4801工作面進(jìn)行了分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，旨在為同類型條件下突出煤層瓦斯治理提供借鑒。

1 礦井概況

夏泉煤礦位于四川省宜賓市，井田走向長(zhǎng)度3 000 m，傾斜長(zhǎng)度500 m，面積約為1.5 km2，開采2、8、9號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力21萬(wàn)t/a。礦井劃分為1個(gè)水平，4個(gè)采區(qū)。其中8號(hào)煤層經(jīng)鑒定具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，為突出煤層，實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力為0.78 MPa。但8號(hào)煤層在實(shí)際采掘過(guò)程中，瓦斯含量從未超過(guò)臨界值8 m3/t，僅少數(shù)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值超過(guò)臨界值，整體瓦斯賦存較穩(wěn)定，瓦斯災(zāi)害較輕。根據(jù)8號(hào)煤層實(shí)際采掘情況和預(yù)測(cè)指標(biāo)分析，8號(hào)煤層屬于典型的弱突出煤層[9-10]。

2 精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 工程概況

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為四采區(qū)的4801工作面，4801工作面位于礦井東翼，開采8號(hào)煤層。8號(hào)煤層平均傾角35°，平均煤厚1.8 m，煤層較軟，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.29～0.47，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)夾矸。4801工作面內(nèi)無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造，屬于同一地質(zhì)單元。

2.2 精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)施工工藝

8號(hào)煤層為弱突出煤層，瓦斯災(zāi)害較小，若盲目施工底板巖石巷道對(duì)8號(hào)煤層進(jìn)行全覆蓋穿層鉆孔預(yù)抽，將會(huì)導(dǎo)致礦井采掘嚴(yán)重失調(diào)和工程量浪費(fèi)。因此，在4801工作面實(shí)施動(dòng)態(tài)防突技術(shù)分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定精準(zhǔn)防突措施。

根據(jù)四采區(qū)采掘部署，石門揭穿8號(hào)煤層后將布置第1個(gè)4801工作面，預(yù)計(jì)工作面走向長(zhǎng)度680 m，傾斜長(zhǎng)度120 m。4801工作面分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)具體步驟如下：

(1)根據(jù)斷層、瓦斯及煤層賦存情況等因素將4801工作面劃分為8個(gè)塊段，每一塊段不超過(guò)100 m。

(2)從第一塊段運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面開始分別各施工1個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)各布置3個(gè)長(zhǎng)100 m的順層預(yù)測(cè)鉆孔，共布置6個(gè)鉆孔，鉆孔編號(hào)分別為1-1～1-6，其中鉆孔1-2和1-5控制煤巷正前方，鉆孔1-1、1-4控制煤巷上幫15 m處，1-3、1-6控制煤巷下幫15 m處。工作面塊段劃分和煤巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 工作面塊段劃分及煤巷掘進(jìn)預(yù)測(cè)鉆孔布置示意

(3)根據(jù)煤巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的防突措施，若預(yù)測(cè)結(jié)果為無(wú)突出危險(xiǎn)性，則運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷分別掘進(jìn)至80 m后停止掘進(jìn)。按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中對(duì)區(qū)域預(yù)測(cè)要求，同一地質(zhì)單元內(nèi)傾向上至少布置3組、走向上至少布置2組測(cè)壓鉆孔，同時(shí)應(yīng)在埋深最大及標(biāo)高最低的開拓工程部位布置有測(cè)點(diǎn)[11]。

4801工作面第一塊段預(yù)測(cè)結(jié)果為無(wú)突出危險(xiǎn)性，則在第一塊段內(nèi)布置5組順層預(yù)測(cè)鉆孔，每組預(yù)測(cè)鉆孔2個(gè)，共計(jì)10個(gè)鉆孔，鉆孔編號(hào)分別為1-7～1-16。區(qū)域預(yù)測(cè)鉆孔布置如圖2所示。

圖2 區(qū)域預(yù)測(cè)鉆孔布置示意

(4)根據(jù)鉆孔揭露煤層、瓦斯和地質(zhì)構(gòu)造賦存情況，并結(jié)合區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的精準(zhǔn)防突措施。若預(yù)測(cè)結(jié)果有突出危險(xiǎn)性，則對(duì)塊段實(shí)施順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯；若預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)突出危險(xiǎn)或經(jīng)防突措施效果檢驗(yàn)無(wú)突出危險(xiǎn)后，則按照上述相同步驟進(jìn)行后續(xù)塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)工作。如此循環(huán)完成4801工作面動(dòng)態(tài)防突工作。

2.3 預(yù)測(cè)指標(biāo)的確定及測(cè)定結(jié)果

4801工作面共劃分成8個(gè)塊段，進(jìn)行了8次循環(huán)預(yù)測(cè)。以4801第一塊段為例，進(jìn)行預(yù)測(cè)指標(biāo)的確定及預(yù)測(cè)結(jié)果的綜合分析，其余塊段的循環(huán)預(yù)測(cè)指標(biāo)和預(yù)測(cè)結(jié)果分析與第一塊段相同。

煤巷掘進(jìn)工作面鉆孔施工距離較長(zhǎng)，若采用瓦斯壓力作為預(yù)測(cè)指標(biāo)，鉆孔在成孔后因煤層較軟而可能出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象[12-14]，或鉆孔封孔時(shí)因封孔距離過(guò)長(zhǎng)，封孔不到位，影響測(cè)壓效果。采用SDQ取樣裝置可快速定點(diǎn)取樣，準(zhǔn)確測(cè)定煤層原始瓦斯含量[15-17]，因此，煤巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)指標(biāo)采用瓦斯含量更合理。按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》規(guī)定要求，塊段區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)采用直接法測(cè)定瓦斯壓力和瓦斯含量。

煤巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，第一塊段區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 煤巷掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)結(jié)果

表2 第一塊段區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1和表2可知，煤巷掘進(jìn)時(shí)測(cè)得最大瓦斯含量為6.74 m3/t，未超過(guò)臨界值8.00 m3/t；區(qū)域預(yù)測(cè)測(cè)得最大瓦斯壓力為0.61 MPa，最大瓦斯含量為6.86 m3/t，均未超過(guò)其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。

3 預(yù)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

3.1 預(yù)測(cè)結(jié)果綜合分析

根據(jù)鉆孔施工情況、已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況以及地質(zhì)構(gòu)造情況，并結(jié)合本次實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)情況對(duì)4801工作面第一塊段煤層的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合分析。

(1)鉆孔施工情況分析。所有鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中均無(wú)卡鉆、頂鉆、噴孔等突出預(yù)兆。同時(shí)工作面和孔口瓦斯?jié)舛容^穩(wěn)定，無(wú)異常瓦斯涌出現(xiàn)象。鉆孔順煤層鉆進(jìn)時(shí)推進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速度較穩(wěn)定，無(wú)陡升陡降現(xiàn)象，鉆孔排渣、反漿均順暢。說(shuō)明4801工作面第一塊段煤層賦存較穩(wěn)定，瓦斯含量不大。

(2)已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況分析。根據(jù)4801工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷各掘進(jìn)的80 m煤巷來(lái)看，煤層厚度和傾角無(wú)明顯變化，僅中部有一層約為0.2 m厚的軟分層，煤層賦存基本正常。在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中未采取任何防突措施情況下，從未出現(xiàn)瓦斯異常涌出、瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象及突出預(yù)兆等異常情況。4801運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.24%～0.30%，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.53～0.66 m3/min；4801回風(fēng)巷掘進(jìn)期間回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.26%～0.34%，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.57～0.75 m3/min。說(shuō)明4801工作面第一塊段煤層賦存穩(wěn)定，無(wú)明顯地質(zhì)構(gòu)造，瓦斯涌出平穩(wěn)，瓦斯賦存量不大。

(3)地質(zhì)構(gòu)造賦存情況分析。根據(jù)鉆孔和煤巷揭露煤層情況來(lái)看，煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯涌出平穩(wěn)，未揭露出明顯斷層。因此，認(rèn)為4801工作面地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。

(4)本次實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)結(jié)果分析。本次掘進(jìn)工作面實(shí)測(cè)瓦斯含量為5.17～6.74 m3/t，最大值為6.74 m3/t，未超過(guò)臨界值8.00 m3/t。區(qū)域預(yù)測(cè)測(cè)得瓦斯壓力為0.38～0.61 MPa，最大值為0.61 MPa(埋深320.6 m)；瓦斯含量為4.96～6.86 m3/t，最大值為6.86 m3/t(埋深320.6 m)，均未超過(guò)其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。根據(jù)瓦斯含量和瓦斯壓力測(cè)定結(jié)果分析，同一測(cè)點(diǎn)各測(cè)定鉆孔所測(cè)得的瓦斯含量和瓦斯壓力值相近，整體呈現(xiàn)出隨埋深增加而增加的線性關(guān)系，符合瓦斯含量和瓦斯壓力與埋深的相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)井上下對(duì)照?qǐng)D，4801工作面范圍內(nèi)最大埋深約為342 m，比實(shí)測(cè)的最大瓦斯壓力和含量處埋深僅增加了21.4 m，埋深增加不大，瓦斯壓力和瓦斯含量變化不大，推算最大埋深342 m處瓦斯壓力為0.69 MPa，瓦斯含量為7.5 m3/t，也均未超過(guò)其臨界值0.74 MPa和8.0 m3/t。

綜上所述，通過(guò)對(duì)鉆孔施工情況、已掘段煤層賦存和瓦斯涌出情況、地質(zhì)構(gòu)造賦存情況、實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)情況等進(jìn)行的綜合分析，4801工作面范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯涌出平穩(wěn)，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)域。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)在本礦井的應(yīng)用取得良好效果，4801工作面進(jìn)行了8個(gè)循環(huán)區(qū)域預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果均為無(wú)煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。礦井在未采取任何防突措施情況下，實(shí)現(xiàn)了4801工作面的安全回采，安全掘進(jìn)煤巷約1 360 m。取消了底板巷和穿層預(yù)抽鉆孔，節(jié)約了約2.3萬(wàn)m鉆孔工程量，采掘時(shí)間縮短了約43%，不僅緩解了采掘接替緊張局面，而且節(jié)省了瓦斯災(zāi)害治理費(fèi)用，避免了瓦斯治理的盲目性。

4 結(jié)論

(1)基于夏泉煤礦8號(hào)煤層具備典型弱突出煤層的特征、防治突出措施針對(duì)性不強(qiáng)、容易造成防突成本增加的工程背景，提出了煤層分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)。

(2)分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的結(jié)果表明：該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了4801工作面的安全回采和煤巷安全掘進(jìn)約1 360 m，節(jié)約了約2.3萬(wàn)m鉆孔工程量，采掘時(shí)間縮短了約43%，有效節(jié)省了治災(zāi)成本和治災(zāi)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了弱突出煤層瓦斯的高效防治。

(3)分塊段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)防突技術(shù)，可避免瓦斯災(zāi)害治理的盲目性，并實(shí)現(xiàn)弱突出煤層在未采取任何防突措施下煤巷安全掘進(jìn)和工作面快速回采，可有效緩解礦井采掘接替的緊張局面，為四川地區(qū)8號(hào)弱突出煤層瓦斯治理提供了方向。