工作面下向钻孔瓦斯超限原因及应对措施

文/贺剑明 武建军

一、矿井概况

沙曲矿为华晋焦煤有限责任公司第一对生产矿井，井田走向长 22km，倾斜宽 4.5～8km，面积135km2，地质储量22.52亿吨，可采储量12.76亿吨。2004年投产，矿井设计能力300万t/a。

矿井采用斜、立井混合开拓方式，划分两个水平开采。全井田共划分为25个采区，其中第一水平15个采区（北翼6个采区，南翼9个采区），二水平10个采区（北翼5个采区，南翼5个采区）。目前主采煤层为4#煤层。

截至2008年，井下南一、南二、北一采区4#煤已回采完毕。目前生产采区为南二采区5#煤层，北二采区4#煤层，且各布置一个回采工作面，设计年产原煤分别为100万t/a和200万t/a。各煤层都属于可以抽采煤层，但都接近难易抽采煤层。

2003年4月25日和4月27日在南二采区14203轨道巷掘进过程中发生两次瓦斯异常涌出和动力现象，涌出煤量约47t，涌出瓦斯量约937m3。2005年3月5日煤炭科学研究总院抚顺分院鉴定4#煤层为煤与瓦斯突出煤层。山西省煤炭工业局批复结果为：沙曲矿4#和5#煤层为突出煤层，2#和3#煤层为不突出煤层，矿井为煤与瓦斯突出矿井。

从煤层赋存特点来看，沙曲矿为近距离煤层群开采，一层开采，多层卸压，是造成采掘工作面瓦斯涌出量大的主要原因，4#主采煤层回采工作面面瓦斯涌出量高达60～80m3/min，掘进工作面高达10m3/min以上。

图一 工作面综合钻孔柱状图

图二15201胶带巷下邻近层钻孔示意图

二、工作面情况简介

15201工作面是沙曲矿施工的第一个5#煤工作面，该工作面总体呈单斜构造，煤层倾向南西，煤层厚度2.44～3.3m，平均煤厚2.75m，工作面倾向长1181m，走向长179m。整个工作面配风900m3/min。

工作面综合钻孔柱状图如图一。图一，5#煤与6#煤平均间距约13～15m，6#煤瓦斯压力约2.1MPa，上覆L5灰岩为沙曲井田主要含水岩层之一，因水蚀作用在石灰岩中产生了大量裂隙，部分为方解石充填，没有被方解石充填的裂隙被大量6#煤涌出的瓦斯和水充填，同时上层约5m厚的泥岩又具有较好的密闭性，裂隙内瓦斯在漫长的地质年代得到了很好的储存。

为有效解决15201工作面下邻近层6#煤瓦斯涌出，根据现场实际情况，设计施工下临近层钻孔，下邻近层钻孔采用胶带巷和轨道巷双侧布置，钻孔间距为6m，总进尺为8144m。钻孔与底板夹角为38°，向回采工作面下钻进，5#煤层与6#煤层间距为13～15m，钻孔施工约19～21m穿透6#煤层，同时为解决煤渣沉淀，则设计钻孔深度约为21～22m。

钻孔具体布置见图二。钻孔施工采用MKQJ120/40潜孔钻机施工，扩孔孔径为120mm，钻孔孔径为90mm,扩孔、封孔长度为3m，聚氨酯封孔。扩孔后先用4寸PVC管进行封孔，并使用法兰盘在距孔口200mm处4寸PVC管上连接防喷装置。结构见图三。

三、超限原因分析

下向钻孔自2009年6月25日施工以来共出现了四次瓦斯超限，详情及原因见表一。

1.地质原因

根据现场技术人员描述，打钻过程中两次超限都是在钻屑中出现白色粉末的时候出现的，据此分析此白色粉末应为钻孔施工到了灰岩层裂隙内充填的方解石，施工的钻孔导通裂隙造成裂隙内瓦斯瞬间大量涌出，造成瓦斯超限

目前胶带巷施工位置处于一个小型背斜构造的轴部，因地质构造原因瓦斯压力较大，极易出现大量高压瓦斯喷出，造成了本次超限。

因L5灰岩水量比较大，虽然采取了措施，但在大量瓦斯夹带水涌出的情况下，灰岩水依然会造成瓦斯抽放通道不畅，使得大量瓦斯通过钻杆与放喷装置密封圈之间的间隙涌入巷道。

2.抽放系统原因

抽放系统孔口负压100mmHg，在大量瓦斯涌出的情况下不足以抵消瓦斯强大的正压，故造成大量瓦斯从防喷装置涌出，在瓦斯涌出量突然增大的情况下，1、2、3点均为正压且压力相等，瓦斯通过密封圈和钻杆之间空隙流向巷道的趋势与流向抽放管路趋势相等，在这种情况下防喷装置只能防止喷钻对钻机操作人员的伤害，并不能防止瓦斯喷出，故大量瓦斯涌入巷道造成两次打钻过程的瓦斯超限。

表一 四次超限情况一览表

图三下邻近钻孔防喷装置示意图

四、采取措施

1.采用新式防喷装置

新式防喷装置改进了密封圈结构，密封圈与钻杆结合更为紧密，整套装置等于多加了两趟抽放管，能够最大程度地避免瓦斯的喷出，加大抽放强度。

2.加强抽放管路放水工作

因L5灰岩含水量大，大量的水进入抽放管路影响抽放效率，通过放水最大程度地避免抽放管路内积水对负压的影响。

3.加强人员培训

通过操作人员素质的提高，缩短最后一根钻杆拔出与连接抽放管路的时间，避免拔出钻杆而抽放管路尚未连接完毕这段时间出现超限。

五、结论

经过以上措施的采取自此后连续施工36个钻孔均未出现瓦斯超限。通过下向钻孔的施工，工作面回风流巷的瓦斯浓度始终保持在0.5%以下，工作面回采期间连续7个月未出现瓦斯超限事故。

根据沙曲矿实际情况采用新式防喷装置，加强抽放管路放水工作，大幅度降低了钻孔瓦斯超限次数，扭转了安全生产不利局面。