煤与瓦斯突出严重威胁着矿井的安全生产,目前对煤层消突大多矿井采用大面积钻孔预抽煤层瓦斯的方法[1-4]。虽然煤层经鉴定或认定为突出煤层,但可能发生突出危险性的区域仅占煤层的一部分或仅在地质构造区域附近。而对突出煤层盲目采用大面积煤层瓦斯预抽防突措施,必然会增加矿井采掘失调紧张局面,同时导致钻孔工程量严重浪费。煤层突出危险性预测是瓦斯预抽的关键,决定着瓦斯预抽范围及工程量。而突出煤层工作面分块段精准预测动态防突技术的提出正好弥补了矿井盲目采用瓦斯预抽防突措施的不足,同时可避免传统预测方法因预测面积大、巷道开拓不到位、预测钻孔少等因素而未有效控制到煤层突出区域或地质构造带的问题[5-8]。
以四川夏泉煤矿8号突出煤层四采区4801工作面为现场试验对象,对4801工作面进行了分块段精准预测,旨在为同类型条件下突出煤层瓦斯治理提供借鉴。
夏泉煤矿位于四川省宜宾市,井田走向长度3 000 m,倾斜长度500 m,面积约为1.5 km2,开采2、8、9号煤层,设计生产能力21万t/a。矿井划分为1个水平,4个采区。其中8号煤层经鉴定具有煤与瓦斯突出危险性,为突出煤层,实测最大瓦斯压力为0.78 MPa。但8号煤层在实际采掘过程中,瓦斯含量从未超过临界值8 m3/t,仅少数钻屑瓦斯解吸指标K1值超过临界值,整体瓦斯赋存较稳定,瓦斯灾害较轻。根据8号煤层实际采掘情况和预测指标分析,8号煤层属于典型的弱突出煤层[9-10]。
本次试验地点为四采区的4801工作面,4801工作面位于矿井东翼,开采8号煤层。8号煤层平均倾角35°,平均煤厚1.8 m,煤层较软,煤的坚固性系数0.29~0.47,煤层结构简单,无夹矸。4801工作面内无明显地质构造,属于同一地质单元。
8号煤层为弱突出煤层,瓦斯灾害较小,若盲目施工底板岩石巷道对8号煤层进行全覆盖穿层钻孔预抽,将会导致矿井采掘严重失调和工程量浪费。因此,在4801工作面实施动态防突技术分块段精准预测,根据预测结果制定精准防突措施。
根据四采区采掘部署,石门揭穿8号煤层后将布置第1个4801工作面,预计工作面走向长度680 m,倾斜长度120 m。4801工作面分块段精准预测具体步骤如下:
(1)根据断层、瓦斯及煤层赋存情况等因素将4801工作面划分为8个块段,每一块段不超过100 m。
(2)从第一块段运输巷和回风巷掘进工作面开始分别各施工1个钻场,每个钻场各布置3个长100 m的顺层预测钻孔,共布置6个钻孔,钻孔编号分别为1-1~1-6,其中钻孔1-2和1-5控制煤巷正前方,钻孔1-1、1-4控制煤巷上帮15 m处,1-3、1-6控制煤巷下帮15 m处。工作面块段划分和煤巷掘进工作面预测钻孔布置如图1 所示。
图1 工作面块段划分及煤巷掘进预测钻孔布置示意
(3)根据煤巷掘进工作面预测结果制定相应的防突措施,若预测结果为无突出危险性,则运输巷和回风巷分别掘进至80 m后停止掘进。按照《防治煤与瓦斯突出细则》中对区域预测要求,同一地质单元内倾向上至少布置3组、走向上至少布置2组测压钻孔,同时应在埋深最大及标高最低的开拓工程部位布置有测点[11]。
4801工作面第一块段预测结果为无突出危险性,则在第一块段内布置5组顺层预测钻孔,每组预测钻孔2个,共计10个钻孔,钻孔编号分别为1-7~1-16。区域预测钻孔布置如图2所示。
图2 区域预测钻孔布置示意
(4)根据钻孔揭露煤层、瓦斯和地质构造赋存情况,并结合区域预测结果制定相应的精准防突措施。若预测结果有突出危险性,则对块段实施顺层钻孔预抽煤层瓦斯;若预测结果无突出危险或经防突措施效果检验无突出危险后,则按照上述相同步骤进行后续块段精准预测工作。如此循环完成4801工作面动态防突工作。
4801工作面共划分成8个块段,进行了8次循环预测。以4801第一块段为例,进行预测指标的确定及预测结果的综合分析,其余块段的循环预测指标和预测结果分析与第一块段相同。
煤巷掘进工作面钻孔施工距离较长,若采用瓦斯压力作为预测指标,钻孔在成孔后因煤层较软而可能出现塌孔现象[12-14],或钻孔封孔时因封孔距离过长,封孔不到位,影响测压效果。采用SDQ取样装置可快速定点取样,准确测定煤层原始瓦斯含量[15-17],因此,煤巷掘进工作面预测指标采用瓦斯含量更合理。按照《防治煤与瓦斯突出细则》规定要求,块段区域预测指标采用直接法测定瓦斯压力和瓦斯含量。
煤巷掘进工作面预测结果见表1,第一块段区域预测结果见表2。
表1 煤巷掘进工作面预测结果
4801回风巷钻孔编号巷道底板标高/m埋深/m最大瓦斯含量/(m3·t-1)4801运输巷钻孔编号巷道底板标高/m埋深/m最大瓦斯含量/(m3·t-1)11743.6252.85.1714671.2326.55.8512743.6263.55.8215671.2335.06.7413743.6270.45.4416671.2342.65.90
表2 第一块段区域预测结果
钻孔编号巷道底板标高/m埋深/m瓦斯压力/MPa瓦斯含量/(m3·t-1)17743.6288.50.384.9618743.6290.00.456.0819743.6290.00.425.57110743.6289.00.485.74111671.2320.60.616.86112671.2315.00.576.20113671.2304.20.565.85114671.2307.80.596.62115671.2315.50.546.68116671.2318.50.475.79
根据表1和表2可知,煤巷掘进时测得最大瓦斯含量为6.74 m3/t,未超过临界值8.00 m3/t;区域预测测得最大瓦斯压力为0.61 MPa,最大瓦斯含量为6.86 m3/t,均未超过其临界值0.74 MPa和8.0 m3/t。
根据钻孔施工情况、已掘段煤层赋存和瓦斯涌出情况以及地质构造情况,并结合本次实测瓦斯参数情况对4801工作面第一块段煤层的突出危险性进行综合分析。
(1)钻孔施工情况分析。所有钻孔在钻进过程中均无卡钻、顶钻、喷孔等突出预兆。同时工作面和孔口瓦斯浓度较稳定,无异常瓦斯涌出现象。钻孔顺煤层钻进时推进压力和钻进速度较稳定,无陡升陡降现象,钻孔排渣、反浆均顺畅。说明4801工作面第一块段煤层赋存较稳定,瓦斯含量不大。
(2)已掘段煤层赋存和瓦斯涌出情况分析。根据4801工作面运输巷和回风巷各掘进的80 m煤巷来看,煤层厚度和倾角无明显变化,仅中部有一层约为0.2 m厚的软分层,煤层赋存基本正常。在煤巷掘进过程中未采取任何防突措施情况下,从未出现瓦斯异常涌出、瓦斯动力现象及突出预兆等异常情况。4801运输巷掘进期间回风瓦斯浓度为0.24%~0.30%,绝对瓦斯涌出量为0.53~0.66 m3/min;4801回风巷掘进期间回风瓦斯浓度为0.26%~0.34%,绝对瓦斯涌出量为0.57~0.75 m3/min。说明4801工作面第一块段煤层赋存稳定,无明显地质构造,瓦斯涌出平稳,瓦斯赋存量不大。
(3)地质构造赋存情况分析。根据钻孔和煤巷揭露煤层情况来看,煤层赋存稳定,瓦斯涌出平稳,未揭露出明显断层。因此,认为4801工作面地质构造不发育。
(4)本次实测瓦斯参数结果分析。本次掘进工作面实测瓦斯含量为5.17~6.74 m3/t,最大值为6.74 m3/t,未超过临界值8.00 m3/t。区域预测测得瓦斯压力为0.38~0.61 MPa,最大值为0.61 MPa(埋深320.6 m);瓦斯含量为4.96~6.86 m3/t,最大值为6.86 m3/t(埋深320.6 m),均未超过其临界值0.74 MPa和8.0 m3/t。根据瓦斯含量和瓦斯压力测定结果分析,同一测点各测定钻孔所测得的瓦斯含量和瓦斯压力值相近,整体呈现出随埋深增加而增加的线性关系,符合瓦斯含量和瓦斯压力与埋深的相关关系。
根据井上下对照图,4801工作面范围内最大埋深约为342 m,比实测的最大瓦斯压力和含量处埋深仅增加了21.4 m,埋深增加不大,瓦斯压力和瓦斯含量变化不大,推算最大埋深342 m处瓦斯压力为0.69 MPa,瓦斯含量为7.5 m3/t,也均未超过其临界值0.74 MPa和8.0 m3/t。
综上所述,通过对钻孔施工情况、已掘段煤层赋存和瓦斯涌出情况、地质构造赋存情况、实测瓦斯参数情况等进行的综合分析,4801工作面范围内煤层赋存稳定,瓦斯涌出平稳,地质构造不发育,无突出危险区域。
分块段精准预测动态防突技术在本矿井的应用取得良好效果,4801工作面进行了8个循环区域预测,预测结果均为无煤与瓦斯突出危险性。矿井在未采取任何防突措施情况下,实现了4801工作面的安全回采,安全掘进煤巷约1 360 m。取消了底板巷和穿层预抽钻孔,节约了约2.3万m钻孔工程量,采掘时间缩短了约43%,不仅缓解了采掘接替紧张局面,而且节省了瓦斯灾害治理费用,避免了瓦斯治理的盲目性。
(1)基于夏泉煤矿8号煤层具备典型弱突出煤层的特征、防治突出措施针对性不强、容易造成防突成本增加的工程背景,提出了煤层分块段精准预测动态防突技术。
(2)分块段精准预测动态防突技术在现场应用的结果表明:该技术实现了4801工作面的安全回采和煤巷安全掘进约1 360 m,节约了约2.3万m钻孔工程量,采掘时间缩短了约43%,有效节省了治灾成本和治灾时间,实现了弱突出煤层瓦斯的高效防治。
(3)分块段精准预测动态防突技术,可避免瓦斯灾害治理的盲目性,并实现弱突出煤层在未采取任何防突措施下煤巷安全掘进和工作面快速回采,可有效缓解矿井采掘接替的紧张局面,为四川地区8号弱突出煤层瓦斯治理提供了方向。
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