煤矿综掘工作面防突预测与治理措施研究

张杰斌

（山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿，山西 太原 030052）

煤炭开采过程中，井下巷道的掘进作业对周边岩层的应力分布造成较大扰动，各部分应力重新分布。同时，煤层和岩层中的瓦斯压力也受到较大影响。当出现瓦斯高密度集中时，在高地应力持续作用下甚至出现瓦斯和煤突出，瞬间喷射出的煤尘和瓦斯形成的冲击作用将严重破坏煤层和巷道结构。另外，瓦斯集中区的应力释放后，瓦斯的吸附率急剧降低，周边煤层和岩层内的瓦斯也大量喷出，从而加速了工作面瓦斯浓度的升高速度，严重威胁井下设备和人员安全[1-3]。因此，对于突出高风险矿井，防突工作是煤炭采掘管理的重中之重。

防突工作包含突出风险预测、防突治理措施、治理效果检验、防突安全管理等一系列内容。为提高防突管理成效，促进综掘工作高效、安全进行，本文将结合屯兰矿12508 综掘工作面实际情况，对以上环节的实施方法和注意事项进行探讨。

1 地质概况

12508 工作面位于屯兰矿南五盘区右翼，东邻12510 工作面，南接南五胶带巷，西为12506 工作面（未施工），北为12303 采空区。工作面地面标高1105～1216m，盖山厚度450～549m，区域地表以山地地形为主，切割强烈，沟谷纵横。经对地表调查走访，区内大部被黄土覆盖，未发现低洼处积水，地表大南沟为季节性沟谷。

屯兰矿为煤与瓦斯突出矿井，2019 年的矿井绝对瓦斯涌出量为262.4m3/min，相对瓦斯涌出量为46.4m3/t。12508 工作面所采2#煤层最大厚度3.2m，最小2.9m，煤层最大倾角7°，最小倾角2°，煤层普氏硬度0.57，煤层节理发育。根据2012 年重庆煤科院提供的《屯兰矿2#煤层煤与瓦斯突出危险性鉴定报告》可知，2#煤层煤的破坏类型为Ⅳ类，瓦斯放散初速度指标ΔP 为15，煤层坚固性系数f 为0.34，原始瓦斯压力为2.2 MPa，瓦斯含量为9～11.8 m³/t，因此2#煤层鉴定为突出煤层。本文所研究12508 工作面属于煤与瓦斯突出危险区，因此采用了施工顺层走向长钻孔的区域措施对煤层瓦斯进行预抽。为进一步降低煤层瓦斯突出风险，在预抽基础上，综掘工作面还采用了“边掘边抽”的工作面防突治理措施，本文将重点对此进行研究。

2 瓦斯突出风险预测

2.1 测定方法及指标

工作面巷道掘进期间，为有效制定防突措施，首先应对煤和瓦斯的突出风险进行预测。针对12508 工作面的实际情况，适宜采用技术较为成熟的钻屑瓦斯解吸指标法进行检测。该方法的主要预测指标包括瓦斯解吸指标K1和钻粉量S，具体如表1 所示。另外，在判断无突出危险时，除特征指标不超限外，还应同时满足在检测钻孔过程中无喷孔和其他明显突出征兆。

表1 钻屑瓦斯解吸指标法突出风险数值对照表

2.2 预测孔设计

钻屑瓦斯解吸指标法的关键是预测孔的设计。根据12508 工作面掘进巷道的断面尺寸，最终确定在巷道断面上钻3 处直径42mm 的预测孔，如图1所示。孔深度约10m（遇水、夹矸、构造、陷落柱、煤体太硬等情况时，孔深以实际施工情况为准，但掘进时必须保留2m 的预测超前距），钻孔倾角按当前位置煤层倾角。2#钻孔位于掘进巷道断面中部，其余两孔与断面中线夹角呈72°，钻孔终点应在巷道宽度两侧外2～4m 范围内。如当前煤层存在软分层，则应尽量将预测孔布置在软分层中。

巷道掘进2m 后，可开始进行钻孔探测。钻孔时，每前进1m，利用管型测力计对该区段内的全部钻屑量S 进行一次测量。钻孔每前进2m，利用WTC瓦斯突出参数仪对钻屑瓦斯解吸指标K1进行一次测量。

经探测，12508 工作面巷道煤体的K1值和S 值分别为0.85mL/（g·min1/2）和9.4kg/m，均已超过表1“有突出危险”标准。因此判定当前工作面有突出风险，必须采取相应防突措施，以释放煤体中的瓦斯压力。

图1 巷道断面预测孔设计

3 工作面防突治理措施

3.1 防突治理措施选择

对于综掘工作面的瓦斯突出治理，常见局部防突措施包括超前排放钻孔、深孔松动爆破、水力冲孔等。针对所开采2#煤层的地质特点，适宜采用超前排放钻孔作为煤巷掘进工作面防突措施。该方法是在保证一定的超前距前提下（一般5m 以上），从掘进工作面顺煤层倾向向前方煤体内施工一定数量和深度的钻孔，从而使煤层中积聚的瓦斯气体从孔中自然排出，以释放煤层瓦斯压力，起到防突效果。

3.2 超前排放钻孔设计

为防止钻孔直径过大造成岩层构造破坏，在工作面第一次执行超前排放钻孔时，钻孔直径选用规格偏小的42mm 孔，当在掘进工作面前方形成深度超过5m 的安全屏障后，再改用直径75mm 的钻孔规格，然后以此进行正常防突措施循环。需注意，在经过地质构造破坏带时，仍需采用直径42mm 钻孔，直至通过该区域。

超前排放钻孔的数量、孔间距、孔深等应根据有效作用半径确定，但是，需确保钻孔超前于掘进工作面的距离大于5m，过地质构造破坏区域时至少保留7m，钻孔倾角为当前煤层倾角。如图2 所示，12508 工作面掘进巷道的超前排放钻孔共2 排，21 个孔，孔底间距1m，钻孔终点控制在巷道两侧轮廓线外5m 位置。

3.3 其他措施要求

（1）超前排放钻孔施工完毕后，必须保证其在自然状态下的排放时间大于8h；

（2）如工作面有软分层时，应根据软分层分布情况在软分层中增加钻孔；

（3）当探测发现当前煤层周边的地质状况发生较大改变时，应立即停止施工，并探明状况，然后对超前排放钻孔的施工方案进行重新设计。

图2 工作面防突超前排放钻孔设计

4 防突措施效果检验

4.1 检验方法

工作面防突措施实施后，必须进行措施效果检验。根据一致性原则，其检验方法（包括突出危险的指标值）与工作面突出风险预测方法完全相同，但为防止超前排放钻孔对检验效果的影响，应尽量远离周边的超前排放钻孔，或者与当前的超前排放钻孔孔距一致。在经过地质构造较为复杂的区段时，需在不同地质层面增加检验孔。

当检测结果显示工作面仍有瓦斯突出危险时，必须采取其他防突治理措施，例如增加小钻孔等，再次检测当前措施效果，直至消除突出危险。对于经检测已消除突出危险的工作面，则应遵守其他防突安全规程，然后进行正式掘进作业。另外，为保证掘进安全，掘进进尺量应保证留有至少5m 投影长度的超前排放孔超前距，和至少2m 投影长度的检验孔超前距。对于构造破坏严重的区域，应适当增大超前距数值。

4.2 措施效果分析

在12508 工作面巷道煤体中实施上述防突措施后，经8h 自然排放，然后进行措施效果检验，测得的K1值和S 值分别降低至0.33mL/（g·min1/2）和4.1kg/m，均低于表1 的“无突出危险”参数值。可见当前的超前排放钻孔设计及相关措施已消除工作面的瓦斯突出危险，工作面巷道已具备综掘条件。

5 防突安全管理措施

（1）设置防突反向风门。为防止发生瓦斯突出时影响进风和其他巷道安全，必须在掘进工作面的进风一侧，布置两道可在瓦斯突出时自动关闭的反向风门，保证两门间距在4m 以上，且风门到工作面回风巷的距离也应大于10m。在岩巷施工反向风门时，需保证墙垛嵌入岩体内部至少0.2m，墙体厚度大于0.8m；在煤巷施工反向风门时，周边煤墙必须先挖槽直至硬度较高的帮底，且嵌入深度大于0.5m。另外，从风门经过的水、风、运输机等通道，在通道口需设置逆向隔断装置。通过以上措施，可有效限制瓦斯突出的影响范围。

（2）设置永久和临时避难硐室。当发生煤与瓦斯突出后，如因特殊原因不能沿避灾路线撤离时，应先撤至永久避难硐室，等待救援。另外，巷道每隔500m 设置1 处临时避难硐室，室内深度满足扩散通风的要求，至少能满足15 人避难。临时避难硐室在构筑时，一方面，应保证其支护结构稳定，且可与外界电话联络；另一方面，应根据设计的最大避难人数，预先储存可满足一定时间使用的隔离式自救器、空气供给系统和饮用水等[4-6]。

（3）设置压风自救系统。需在距离有突出风险工作面的一定范围内设置多组压风自救系统。另外，需在有突出风险巷道的皮带机、转载机等有人操作设备旁设置压风自救系统。单组系统应能同时满足六人使用，且每人的压缩空气供给量大于0.1m3/min。

6 结论

以屯兰矿12508 综掘工作面为例，针对高瓦斯综掘工作面的防突治理和管理问题，根据掘进工作面的地质概况，研究提出了工作面突出风险预测方法和具体防突治理措施并组织实施，对防突治理实际效果进行了检验分析。结果表明12508 工作面采用超前排放钻孔治理瓦斯的措施可消除工作面瓦斯突出危险。同时，为加强防突管理和事故预防，还采取了防突安全管理的若干措施。