沙曲矿掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标超限浅析

苏建琴，孔维一

(1. 吕梁市煤炭设计研究院，山西 吕梁 033300； 2. 华晋焦煤集团 沙曲二矿，山西 吕梁 033300)

沙曲矿位于山西省吕梁市柳林县，是一座年设计生产能力300万t的煤与瓦斯突出矿井，一直以来矿井采用两个“四位一体”综合防突措施以保证矿井的安全生产，但近期矿井多个工作面出现了钻屑瓦斯解吸指标值超限的情况，为准确分析超限原因，笔者广泛收集了相关资料，并进行了分析。

1 钻屑瓦斯解吸指标值K1

钻屑瓦斯解吸指标值K1综合反映煤层瓦斯含量及卸压初期瓦斯解吸速度的大小，K1值越大表明瓦斯解吸速度越大，煤层中积聚的瓦斯就越多，积聚瓦斯产生的压力就增加的越快，煤层突出危险性就越大。因该值测定操作简单易行而得到了广泛的应用。根据《防治煤与瓦斯突出规定》要求，矿井应“选用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法或其它经试验证实有效的方法”进行区域验证或工作面突出危险性预测，并对钻屑解吸指标值做出推荐，见表1.

2 掘进工作面钻屑瓦斯解析指标值超限情况

沙曲矿长期以来一直采用K1值作为突出危险性预测的指标，但近期发生4次指标超限(>0.5)，3次超过矿井既定值0.3，见表2.

表1 钻屑指标的参考临界值表

2.1 工作面煤层情况

4个K1值超限地点分布在不同层位，其中2#煤集中轨道巷、22205轨道巷跟随2#煤顶板掘进，24104胶带巷跟随(3+4)#煤顶板掘进，北二2#底抽巷跟随6#煤顶板掘进。

2.2 预抽钻孔情况

以上4个工作面均采取了瓦斯预抽措施，预抽钻孔设计见表3，4，5，6. 通过钻孔设计可以看出，工作面钻孔完全符合区域防突措施要求，均覆盖了巷道两帮轮廓线15 m和正前60 m的范围。

以上钻孔均抽采时间达半年以上，抽采后对区域预抽煤体进行了效果检验，效果检验方式为直接测定煤层瓦斯含量，测定结果均小于8 m3/t.

3 理论上可能造成K1值超限的原因

3.1 煤层瓦斯含量高

K1值的物理意义是煤体脱落暴露于大气之中解吸第一分钟内，每克煤样的瓦斯解吸总量，故而煤体瓦斯含量高会造成K1值较高。

表2 近期掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标值K1情况表

表3 2#煤集中轨道巷钻孔设计参数表

表4 22205轨道巷钻孔设计参数表

表5 24104胶带巷钻孔(4#煤)设计参数表

表6 北二2#底抽巷钻孔设计参数表

3.2 钻屑量及钻屑粒度因素

K1值测定中，钻屑量是用有固定容积的量杯来取样的，要求钻屑自然装满量杯，并用筛子轻轻刮平。但是，在现场操作中，钻屑量往往偏多或偏少，造成测定K1值的偏大或偏小。另外，在测定中使用的样品粒度为 1～3 mm钻屑，是用1 mm和3 mm的组合筛子筛分出的。如果没有经过充分筛分，会使所用钻屑中混合有较多小于1 mm的钻屑，这样，装在量杯中的钻屑量会比正常情况下偏多，导致测定出的K1值偏大，同时，由于钻屑粒度的减小，会在一定程度上使钻屑瓦斯解吸速度相对增大，导致测定的K1值偏大。

3.3 仪器气密性因素

仪器是通过测定煤样罐中的瓦斯解吸压力来计算钻屑瓦斯解吸量的，当密封圈或取压胶管老化，出现裂纹而又未能及时更换，或者由于操作不当使煤样罐未盖紧或胶管连接不紧密时，煤样罐的气密性将会受到影响，使测定出的K1值严重偏小甚至接近于0. 此外，在仪器测定过程中，人工用手接触煤样罐或与主机连接的取压胶管，会使煤样罐的温度升高导致罐内压力增加，使测定出的 K1值不同程度偏大。

3.4 仪器充电量因素

为保证正常测定，在测定过程中仪器的电量应充足，当仪器的欠压指示灯亮时，表明电池电量不足，此时如果继续用于测定，则测出的K1值将会产生很大误差，一般表现为偏大，而且随着电量的不足，偏大的幅度将增大，甚至达到真实值的一倍以上。另外，由于环境温度、气压会影响钻屑的瓦斯解吸速度，所以环境参数的改变也会对K1值测定结果产生一定影响。

3.5 煤层软分层因素

煤层内如有煤质松软、结构和层理严重破坏的软分层，表现为碎屑状、磷片状、糜棱状、片状等，往往在其上下底面有滑动痕迹，有时可见包裹体样，手能轻易掰开，断面暗淡无光。软分层因透气性差，瓦斯含量较高，校检钻孔施工在软分层内，也容易造成K1值偏大。

4 该矿K1值超限的原因

对该矿测定钻屑瓦斯解吸指标值K1所用的试验仪器、试样进行检查，并进行重复性试验，通过数据分析，排除操作失误、仪器等因素，造成该矿K1值超限最主要的原因是客观条件导致的个别区域抽采效果差，进而造成该区域瓦斯含量高。

1) 2#煤集中轨道巷、22205轨道巷，均布置在2#煤层中，2#煤层厚度仅为0.97 m，钻孔施工过程中易出现轨迹在煤岩中交替穿过的情况，而如果穿岩距离较长，超过钻孔抽采半径，则该岩孔对应位置煤层瓦斯未得到充分释放，瓦斯含量依然较高。这是造成K1值超限的重要原因。

2) 北二2#底抽巷6#煤层位于巷道顶部，开口距底板高度1.1 m，厚400～600 mm，此处顶部裂隙发育，顶板有裂隙水涌出，部分孔段孔内积水导致抽采效果不均匀，个别孔段瓦斯含量依然较高，造成K1值超限。

3) 24104胶带巷3#煤厚度1.3 m，夹矸厚度1 m，4#煤1.7 m. 采取的本煤层钻孔施工均施工在4#分层，因矸石透气性差，4#煤内的抽采钻孔对3#煤层抽采效果差，3#煤内瓦斯含量依然较高，造成施工在3#煤中的验证孔K1值偏高。

5 采取的治理措施

根据上述分析，采取以下措施防止瓦斯超限：

1) 针对2#煤集中轨道巷、22205轨道巷K1值超限情况，延长抽采时间，分析钻孔轨迹，根据抽采半径对超过抽采半径2倍的穿岩孔段补打抽采钻孔，单独加设计量装置，统计预抽单元内的预抽率，并采用测定瓦斯含量的方法进行了区域效果检验。

2) 针对24104胶带巷K1值超限情况，在现场增设自动放水器，改善抽采管路内积水的现象，全天抽采负压不中断，确保抽采效果最佳化，同时变更钻孔设计，施工上向钻孔，避免孔内积水对抽采效果的影响。

3) 针对北二2#底抽巷K1值超限情况，在现场更换定向钻机，对夹矸上下的3#、4#煤层分别施工抽采钻孔。共设计11个钻孔，分两排布置，下排钻孔距底板0.8 m，上排钻孔距下排钻孔2 m，上排钻孔孔间距均为0.8 m，下排钻孔孔间距均为1 m，1#、2#、3#、4#、5#、6#钻孔为3#煤层预抽孔，7#、8#、9#、10#、11#钻孔为4#煤钻孔。钻孔布置示意图及参数见图1. 本次钻孔由ZYG-150型钻机施工，孔深100 m，孔径为80 mm，封孔、扩孔长度为6 m，封孔采用50 mm聚乙烯管，聚氨酯封孔，与主管路连接采用埋线管，主管路三通处安设孔板流量计、阀门及放水器，以便抽放观测记录、调整抽放参数和放水。

图1 钻孔布置示意图

采取以上措施后，该矿上述地点再未发生K1值超限的情况。

6 结 语

沙曲矿采用钻屑瓦斯解吸指标值作为突出危险性预测指标，近期发生4次指标超限，排除测定过程、仪器等因素后，采取了延长抽采时间、增设自动换水器、更换定钻机等措施防止瓦斯超限，效果良好，未再出现K1值超限情况。采用钻孔抽采瓦斯时要注意钻孔设计不但要横向涵盖整个区域预抽控制范围，还要考虑到煤层具体情况及钻孔轨迹对于抽采效果的影响。有较厚不透气夹矸存在的煤层，钻孔轨迹要分别穿透夹矸上下煤层，以保证对整个区域的瓦斯抽采。