程 廣

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤與瓦斯突出是深部礦井的主要災(zāi)害之一，煤與瓦斯突出過(guò)程中快速?lài)姵龅拇罅客咚购兔后w會(huì)對(duì)設(shè)備和工作人員造成沖擊破壞，同時(shí)涌出的大量瓦斯極易引發(fā)瓦斯爆炸事故，擴(kuò)大災(zāi)害損失[1-4]。煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)是科學(xué)合理制訂針對(duì)性防突措施的基礎(chǔ)，其涉及到執(zhí)行防突措施的范圍和工作量，是防突技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。在高瓦斯礦井向突出礦井升級(jí)過(guò)程中，煤層內(nèi)的高瓦斯區(qū)域與突出區(qū)域會(huì)存在弱突出區(qū)域。弱突出煤層的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)普遍存在2個(gè)方面的問(wèn)題：①突出區(qū)域占突出煤層的總面積雖小，但突出區(qū)域的分布具有隱蔽性、隨機(jī)性、不確定性、小區(qū)域性等特點(diǎn)，如已預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)的區(qū)域，在遇到了構(gòu)造、瓦斯賦存變化、煤層賦存變化等情況時(shí)也極有可能發(fā)生突出[6-8]，但采用傳統(tǒng)的區(qū)域預(yù)測(cè)方法較難發(fā)現(xiàn)這些隱伏區(qū)域；②有些礦井的開(kāi)拓條件由于不能滿足《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》[9]中關(guān)于區(qū)域預(yù)測(cè)布點(diǎn)的要求，而無(wú)法進(jìn)行區(qū)域預(yù)測(cè)，致使該區(qū)域必須按照突出危險(xiǎn)區(qū)域采取相應(yīng)的措施。造成了弱突出煤層防突措施實(shí)施的盲目性、防突工程浪費(fèi)性，在生產(chǎn)中存在有較大的安全生產(chǎn)隱患。目前學(xué)者們針對(duì)煤層突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)的研究主要集中在如下 3個(gè)方面：一是區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)的敏感性和臨界值的研究[10-12]；二是針對(duì)特殊區(qū)域的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，如石門(mén)揭煤、井筒揭煤區(qū)域的突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)[13-16]；三是煤層區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法的研究[17-18]。但針對(duì)弱突出煤層的精細(xì)化、動(dòng)態(tài)防突技術(shù)的研究鮮有人涉及。

基于弱突出煤層危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，提出了弱突出煤層動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)防突技術(shù)，旨在解決弱突出煤層的高效防突問(wèn)題，并在大河邊煤礦開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)礦井煤巷安全掘進(jìn)1 400 m，工作面提前6個(gè)月貫通，緩解了礦井采掘接替緊張的局面。

1 礦井概況

大河邊煤礦井田內(nèi)含可采及局部可采煤層 12層，分別為1、4、7、8、11、13上、13下、14、15、16、19、34號(hào)煤層，經(jīng)鑒定1、7、11號(hào)煤層均具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。雖然大河邊煤礦7號(hào)煤層已經(jīng)鑒定為煤與瓦斯突出煤層，但已回采區(qū)域的7號(hào)煤層實(shí)測(cè)原始瓦斯含量均不高，很少超過(guò)8 m3/t，局部預(yù)測(cè)指標(biāo)K1測(cè)定值為0.11～0.32 mL/(g·min1/2)，鉆屑量S值為1.5～2.2 kg/m，很少出現(xiàn)超過(guò)臨界值的現(xiàn)象，屬于典型的弱突出煤層。7號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 7號(hào)煤層工業(yè)分析指標(biāo)及吸附常數(shù)測(cè)試結(jié)果

2 動(dòng)態(tài)防突技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)防突技術(shù)實(shí)施工藝

根據(jù)大河邊煤礦7號(hào)煤層的賦存及實(shí)驗(yàn)工作面布置情況，首先對(duì)回采工作面人為劃分塊段(塊段長(zhǎng)度可根據(jù)煤層的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造賦存情況、瓦斯賦存情況、取樣技術(shù)等方面來(lái)確定)，塊段長(zhǎng)度一般取80～100 m，工作面塊段劃分情況如圖1所示。

圖1 工作面塊段劃分及預(yù)測(cè)鉆孔布置示意圖

在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)每一塊段首先進(jìn)行精細(xì)化預(yù)測(cè)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)論制訂針對(duì)性的精準(zhǔn)防突措施。在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)過(guò)程中，采用“遞進(jìn)式”的方法，即首先進(jìn)行第一塊段的預(yù)測(cè)，具體做法是在煤巷端頭施工鉆孔測(cè)定煤層瓦斯參數(shù)，按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中對(duì)區(qū)域預(yù)測(cè)的有關(guān)規(guī)定，同一地質(zhì)單元內(nèi)沿煤層走向布置測(cè)試點(diǎn)不少于2個(gè)，沿傾向不少于3個(gè)，其鉆孔的布置見(jiàn)圖1。同時(shí)將瓦斯參數(shù)測(cè)試鉆孔作為超前探測(cè)鉆孔，對(duì)煤層的賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造情況進(jìn)行超前探測(cè)，通過(guò)該種方式，可詳細(xì)掌握所劃分塊段內(nèi)的煤層賦存情況、瓦斯賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造情況及突出預(yù)兆情況等。根據(jù)所掌握的詳細(xì)突出多元信息，對(duì)該塊段內(nèi)的煤層突出危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，若預(yù)測(cè)結(jié)果為無(wú)突出危險(xiǎn)性，則無(wú)需采取防突措施；若有突出危險(xiǎn)性，則對(duì)該塊段區(qū)域?qū)嵤╉槍鱼@孔預(yù)抽煤層瓦斯，煤層消突后再開(kāi)展后續(xù)工作，待該塊段掘進(jìn)至終掘線后，采用同樣的方式進(jìn)行第二塊段的防突工作，循序漸進(jìn)地完成工作面防突工作。

2.2 預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

所有循環(huán)段預(yù)測(cè)鉆孔的布置,以及預(yù)測(cè)指標(biāo)的測(cè)試均采用相似的方法。文中只列出了第四循環(huán)段的預(yù)測(cè)指標(biāo)結(jié)果，并在后續(xù)章節(jié)中以第四循環(huán)段的預(yù)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)為典型代表進(jìn)行煤層突出危險(xiǎn)性的綜合分析。選擇煤層瓦斯含量為區(qū)域預(yù)測(cè)的指標(biāo)，測(cè)試方法為直接法。此外，為掌握煤層瓦斯壓力的情況，采用朗格繆爾方程對(duì)瓦斯壓力進(jìn)行間接反算[19-20]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；a、b為瓦斯吸附常數(shù)，計(jì)量單位分別為m3/t、MPa-1；p為瓦斯壓力，MPa；Mad為煤的水分，%；Aad為煤的灰分，%；q為孔隙率，%；n為壓力相關(guān)性系數(shù)；ρARD為視密度，t/m3；ts、t為吸附試驗(yàn)溫度和井下煤層溫度，℃。

預(yù)測(cè)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果及瓦斯壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 第四循環(huán)段瓦斯含量及瓦斯壓力測(cè)試計(jì)算結(jié)果

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果綜合分析

基于區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果、測(cè)試鉆孔鉆進(jìn)情況、已掘段揭露的煤層情況、瓦斯及地質(zhì)賦存情況、預(yù)測(cè)范圍埋深變化情況和煤體結(jié)構(gòu)情況的綜合分析，對(duì)本循環(huán)段煤層的突出危險(xiǎn)性進(jìn)行判斷。

2.3.1 預(yù)測(cè)指標(biāo)分析

大河邊煤礦310702工作面第四循環(huán)段實(shí)測(cè)瓦斯含量最大值為6.120 3 m3/t(埋深713.1 m)，未超過(guò)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中規(guī)定的瓦斯含量臨界值(8 m3/t)。通過(guò)查閱大河邊煤礦采掘工程平面圖、井上下對(duì)照?qǐng)D，本次預(yù)測(cè)范圍內(nèi)7號(hào)煤層的最大埋深為724.0 m，而本次取樣點(diǎn)的最大埋深為713.1 m，與預(yù)測(cè)范圍內(nèi)最大埋深僅相差11.0 m，由于埋深相差很小，瓦斯參數(shù)應(yīng)不會(huì)發(fā)生大的變化。此外，通過(guò)間接法所計(jì)算的瓦斯壓力最大為0.588 1 MPa(相對(duì)瓦斯壓力)，也未超過(guò)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》中瓦斯壓力臨界值(0.74 MPa)。因此，7號(hào)煤層第四循環(huán)段內(nèi)為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

2.3.2 測(cè)試鉆孔的鉆進(jìn)情況分析

在本次測(cè)試鉆孔施工過(guò)程中未發(fā)生噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆，說(shuō)明該區(qū)域瓦斯賦存量較少；鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中推力較為均衡、鉆進(jìn)速度較平穩(wěn)，煤體硬度變化不大，鉆進(jìn)返渣均為煤粉，單位長(zhǎng)度返渣量變化較小，且返渣的光澤度、顆粒大小及硬度無(wú)明顯變化。表明該區(qū)域內(nèi)應(yīng)無(wú)隱伏斷層或褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，煤層賦存較穩(wěn)定，其瓦斯地質(zhì)情況與前三循環(huán)段是一致的，應(yīng)為同一地質(zhì)單元，發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性較小。

2.3.3 埋深情況分析

本次預(yù)測(cè)區(qū)域埋深為660.0～724.0 m，埋深變化較小，瓦斯含量測(cè)定結(jié)果未出現(xiàn)明顯突變，而已預(yù)測(cè)的前三循環(huán)段埋深為698.0～768.0 m，其最大埋深要大于本次預(yù)測(cè)范圍埋深，目前前三循環(huán)段均已實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)，根據(jù)前三循環(huán)已掘段瓦斯地質(zhì)情況，結(jié)合第四循環(huán)段內(nèi)煤層埋深變化情況，可得出7號(hào)煤層在第四循環(huán)段發(fā)生突出的可能性較小。

2.3.4 煤體結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)對(duì)本次預(yù)測(cè)區(qū)域揭露的7號(hào)煤層的勘察，煤層賦存完整性較好，煤層為亮與半亮型煤，有光澤，半亮型為主，煤層平均厚度為2.0 m，少量塊狀及碎塊狀煤，斷口比較平滑，用手可掰成塊狀。煤體破壞程度較低，應(yīng)為Ⅱ類(lèi)煤[21]。另外，7號(hào)煤層煤體較為堅(jiān)硬，抵抗煤與瓦斯突出的能力較強(qiáng)，同時(shí)從前探鉆孔來(lái)看，未探測(cè)到有構(gòu)造存在，也就說(shuō)明了前方煤體未存在構(gòu)造煤或煤層變軟的情況。因此，從煤層整體結(jié)構(gòu)分析，7號(hào)煤層在第四循環(huán)段發(fā)生突出的可能性較小。

綜上所述，通過(guò)對(duì)區(qū)域預(yù)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，并結(jié)合對(duì)測(cè)試鉆孔的鉆進(jìn)情況、已掘段揭露的煤層、瓦斯及地質(zhì)賦存情況、預(yù)測(cè)范圍埋深變化情況和煤體結(jié)構(gòu)情況的綜合分析，可以得出：7號(hào)煤層第四循環(huán)段為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

該技術(shù)方案已在大河邊煤礦310702運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面實(shí)施了20個(gè)小區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)循環(huán)，預(yù)測(cè)結(jié)果均無(wú)突出危險(xiǎn)，所有預(yù)測(cè)循環(huán)均未采取瓦斯抽采措施，實(shí)現(xiàn)了煤巷安全掘進(jìn)1 400 m和整個(gè)工作面的安全回采。據(jù)水城礦業(yè)股份有限公司通風(fēng)部統(tǒng)計(jì)，與原設(shè)計(jì)采用的工作面中間腰巷“遞進(jìn)式”進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽的防突措施相比，采取動(dòng)態(tài)防突措施后，大河邊煤礦310702工作面(走向長(zhǎng)度1 400 m)無(wú)需施工中間腰巷，可節(jié)省腰巷工程量1 400 m；同時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)瓦斯參數(shù)，所有循環(huán)無(wú)需采取瓦斯抽采措施，減少鉆孔工程量3.5萬(wàn)m，共節(jié)省瓦斯災(zāi)害治理費(fèi)用約1 090萬(wàn)元，工作面比原計(jì)劃提前6個(gè)月回采完畢，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)論

1)根據(jù)弱突出煤層的突出危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，提出了一種基于精細(xì)化預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)、高效防突成套技術(shù)，旨在解決弱突出煤層的高效防突問(wèn)題。該技術(shù)不僅節(jié)約了大量的防突成本，而且節(jié)省了煤與瓦斯突出災(zāi)害防治時(shí)間，緩解了礦井的采掘接替緊張的局面。

2)在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了試驗(yàn)，綜合實(shí)測(cè)預(yù)測(cè)指標(biāo)結(jié)果、測(cè)試鉆孔鉆進(jìn)情況、埋深情況及煤體結(jié)構(gòu)等，對(duì)預(yù)測(cè)區(qū)域的煤層進(jìn)行了突出危險(xiǎn)性分析，得出7號(hào)煤層第四循環(huán)段為非突出區(qū)。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該技術(shù)有效解決了弱突出煤層的高效防突問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了煤巷安全掘進(jìn)1 400 m和工作面的安全回采，期間未發(fā)生任何突出災(zāi)害，僅節(jié)省瓦斯治理費(fèi)用就達(dá)1 090萬(wàn)元。