基于突出煤层区域防突技术研究

柴昊昊

(山西晋能集团三元煤业股份有限公司,山西 长治 046000)

在煤巷掘进过程中,科学合理地利用防突技术,不仅可保证煤炭的产量、提高采煤速度,而且在很大程度上可降低“夹钻”“喷孔”等事故发生概率。在高突矿井应重点注意和加强防突工作,在采掘过程中只有保证顺畅的工作系统、足够的断面、充足的风量和固定的工作设施,才能保证煤矿的安全生产,最大程度地实现消突目标并显著提高掘进工效[1]。煤矿的突出危险性会随着开采深度的增大而逐渐增加,应根据煤矿的实际情况,采取最佳措施进行防突。在研究分析了煤矿防突常见问题和关键性技术的基础上,分析了贺西煤矿三采区采用区域防突钻孔措施的应用效果[2-11],准确地预测突出危险性是煤矿生产防突工作中最重要的环节。对突出危险性的准确有效预测,可为消除突出提供有效的时机并提高安全生产的概率[12]。

1 采区概况

在三采区标高+520 m处采集煤样测定的瓦斯含量,测得3#煤层最大瓦斯含量12.9 m3/t,最大瓦斯压力2.2 MPa,瓦斯放散初速度16.5 mmHg,煤的坚固性系数为0.22,煤的破坏类型正常区域内为Ⅱ-Ⅲ类,地质构造带内为Ⅳ-Ⅴ类;测得4#煤层最大瓦斯含量为11.8 m3/t,最大瓦斯压力为1.8 MPa,瓦斯放散初速度17.6 mmHg,煤的坚固性系数0.21,煤的破坏类型正常区域内为Ⅱ-Ⅲ类,地质构造带内为Ⅳ-Ⅴ类。2018年贺西煤矿绝对瓦斯涌出量73.72 m3/min,相对瓦斯涌出量14.07 m3/t为煤与瓦斯突出矿井。

2 防突设计原理及依据

预抽煤层瓦斯时地面钻井抽采应作为首选措施,地面钻井将区域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后,再采取井下抽采措施,通过井上下联合抽采降低煤层瓦斯含量和实现消突目的。

坚持区域防突措施先行,局部防突措施补充的防突原则。凡是具备保护层开采条件的突出煤层,必须先开采保护层卸压消突。3#煤层的突出危险强度大于4#煤层,根据保护层选择的原则弱突出煤层保护强突出煤层,应选取4#煤层做为保护层,但由于3#煤层在4#煤层的上部,间距仅13 m左右,先行开采4#煤层将对3#煤层造成破坏,故将4#煤层作为保护层开采不利于资源回收,所以贺西煤矿应采用预抽煤层瓦斯作为3#、4#煤层的区域性防突措施。

3 防突设计和布置

3.1 地面钻井瓦斯抽采

汾西矿业集团与晋煤蓝焰煤层气合作在井田深部设计施工了部分地面钻井,根据统计,设计地面钻井共87口,截止2019年8月共施工钻井68口,其中三采区9口,压裂钻井6口,封井1口,每口井日抽采量为400 m3。

3.2 预抽煤层瓦斯

1)三采区大巷均已成形,不再对大巷开拓采取区域防突措施。

2)掘进工作面瓦斯预抽消突。三采区深部突出危险掘进工作面采用千米钻机顺层长钻孔递进掩护式预抽煤巷条带瓦斯的方式掩护预抽顺槽条带瓦斯。

三采区3#、4#煤层属较难抽放—可以抽放煤层。采区内3#、4#煤层应同时预抽,对3#、4#煤层进行一次性消突。预抽3#、4#煤层条带瓦斯时,应在3#、4#煤层已掘顺槽中布置顺层长钻孔抽放下一段条带煤层瓦斯,根据实际考察的有效抽采半径确定钻孔间距情况选取抽放参数,钻孔间距取15 m,长度至少控制本工作面及下一区段顺槽上帮15 m,钻孔孔径Φ96 mm,封孔深度应不小于8 m,封孔管直径大于50 mm,以保证抽放效果,抽放达标后再进行顺槽掘进,见图1。

图1 顺层长钻孔递进掩护式煤巷条带瓦斯预抽

3)工作面(回采区域)瓦斯预抽消突。贺西矿三采区3#、4#煤层工作面顺槽相对较长,采掘抽接替时间短,地质条件简单,工作面跳采不严重,具备顺层预抽条件,因此三采区回采工作面同样选择千米钻机顺层长钻孔递进掩护式预抽工作面(回采区域)瓦斯作为区域防突措施。

在工作面(回采区域)一侧顺槽内利用千米钻机布置顺层长钻孔预抽本工作面(回采区域)瓦斯以及下一区段一个顺槽条带瓦斯,钻孔长度控制该下一工作面(回采区域)顺槽上帮15 m,封孔深度应不小于8 m,钻孔直径Φ96 mm,终孔间距15 m,见图2。

图2 顺层长钻孔递进掩护式预抽工作面(回采区域)瓦斯

4)满足防突要求后的工作面加强抽采措施。形成工作面后,在回采区域一侧的顺槽内布置顺层钻孔预抽工作面瓦斯。

钻孔长度应控制在工作面顺槽卸压范围外(建议预留20 m卸压范围带),封孔深度应不小于8 m,封孔管直径不小于50 mm,钻孔直径Φ96 mm,终孔间距5 m，如图3所示。

图3 顺槽顺层钻孔预抽工作面瓦斯

另外,在三采区采掘过程中应特别注意4#上煤层的消突措施,4#上煤层平均厚度只有0.76 m,赋存不稳定,不进行回采,但距上部的3#煤层层间距为1.22 m～16.10 m,距下部的4#煤层0～10.28 m,故在4#上煤层距上下煤层间距小于7 m的赋存区域应采取与3#、4#煤层相同的消突措施,对3#、4#上、4#煤层应一次性消突,保证生产安全。根据煤层赋存情况,对于4#上煤层赋存区域设计利用4#煤层工作面顺槽施工上向千米顺层钻孔模块预抽4#上煤层瓦斯,施工方式见图4。4#上煤层瓦斯基础参数参照3#、4#煤层的瓦斯基础参数进行设计,设计钻孔间距取15 m,长度至少控制下一区段超出上下部3#、4#煤层工作面顺槽15 m,钻孔孔径Φ96 mm,封孔深度应不小于8 m,封孔管直径大于50 mm,以保证抽放效果。预抽后应将4#上煤层含量降到7 m3/t以下、煤层瓦斯压力0.74 MPa以下。

图4 顺层长钻孔预抽4#上煤层瓦斯

4 结果分析及区域验证

4.1 结果分析

工作面掘进期间测定煤层残存瓦斯含量,采区预抽煤层瓦斯时地面钻井抽采措施控制区域内的煤层残存瓦斯含量为5.6 m3/t～6.5 m3/t,较原始瓦斯含量降低了6.4 m3/t～7.3 m3/t、降低了46%～60%。实施预抽煤层瓦斯区域防突技术后,煤层残存瓦斯含量指标值均小于《防治煤与瓦斯突出规定》的临界指标值(残存瓦斯含量临界值为7 m3/t),且在施工验证钻孔过程中无顶钻、卡钻、喷孔等突出预兆,均达到了预期消突的目的。具体抽采情况如表1所示。

表1 瓦斯抽采情况

4.2 区域验证

效果检验指标采用残余瓦斯压力和残余瓦斯含量指标,其临界值为煤层残余瓦斯压力0.74 MPa、残余瓦斯含量7 m3/t。区域防突措施效果检验参数如表2所示。

表2 区域防突措施效果检验参数表

效果检验前必须先评判检验区域的瓦斯预抽效果情况,必须经预抽率计算残余瓦斯含量Wc<7 m3/t,方可布置效果检验测试点,施工效果检验钻孔直接测定煤层残余瓦斯压力和残余瓦斯含量指标。

1)区域预抽采掘工作面,必须经预抽率计算残余瓦斯含量Wc<7 m3/t,布置效果检验测试点,施工效果检验钻孔直接测定煤层残余瓦斯压力和残余瓦斯含量指标值。

2)区域抽采达标评判。评判区域经预抽率计算残余瓦斯含量Wc<7 m3/t后,效果检验钻孔直接测定煤层残余瓦斯压力Pc<0.74 MPa和残余瓦斯含量Wc<7 m3/t以及检验钻孔施工过程中无喷孔、顶钻等其他异常现象时,可评判为区域抽采效果达标,贺西煤矿三采区3#、4#煤层采煤工作面为无突出危险区。有效降低了巷道掘进时瓦斯涌出量,工作面瓦斯浓度控制在限定标准值以下,所检查区域的瓦斯残余量和瓦斯压力符合开采要求,保证了生产的安全进行,无突出危险,实现了巷道安全快速掘进。

5 结论

1)贺西矿三采区3#和4#煤层工作面的现场实践,对三采区实施的地面钻井瓦斯抽采措施,实际应用效果表明,煤矿预抽采瓦斯可以一定程度降低突出危险。降低了工作面瓦斯涌出量,消除了掘进煤层煤与瓦斯突出危险性。

2)对贺西矿三采区3#和4#煤层工作面采取井下抽采措施,在地面钻井将区域瓦斯含量降至一定瓦斯含量之后,再采取井下抽采措施,通过井上下联合抽采降低煤层瓦斯含量,区域防突效果显著,实现消突目的。