浅谈高瓦斯矿井瓦斯分级治理工作

摘要：高瓦斯始终是现代矿井主要安全隐患，在掘进巷道施工过程中，为确保瓦斯可控，各个煤矿结合自身情况制订了很多办法，通过有效抽采、钻孔释放、CO2气相压裂等分级治理的方法，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，将高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层变为低瓦斯、无煤与瓦斯突出危险，确保掘进作业的安全高效。

Abstract： High gas has always been a major safety hazard in modern mines. In the process of driving tunnels， in order to ensure that the gas is controllable， each coal mine has formulated a lot of methods in accordance with its own situation. They reduce gas pressure and gas content of coal seam through effective extraction， drilling release， CO2 gas fracturing and other grading treatment methods， and change the high gas， coal and gas outburst coal seam into low gas， no coal and gas outburst danger， to ensure the safety and efficiency of the tunneling operation.

关键词：高瓦斯;分级治理;气相压裂;钻屑解吸指标

Key words： high gas;graded treatment;gas fracturing;drill cuttings desorption index

中图分类号：TD712                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）15-0072-03

0  引言

余吾煤矿目前为高瓦斯矿井，煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，煤质偏软，放散初速度较大，煤层透气性系数很低，钻孔瓦斯流量衰减速度快，并随着煤层埋深的增加，煤与瓦斯突出倾向性日益严重。随着煤炭开采深度和开采水平的延伸，瓦斯灾害的威胁日趋严重。为消除日益严峻的瓦斯灾害局面，保障煤炭安全、高效生产，需要大力推动瓦斯治理工作。

1  瓦斯治理区域划分

根据煤层瓦斯赋存情况，将瓦斯区域划分为一级、二级、三级3个等级进行管理，各瓦斯区域界定如下：

1.1 一级瓦斯区域

1.1.1 煤层钻屑解吸指标K1？叟0.5且瓦斯含量W？叟10m3/t，或风排瓦斯量Q风？叟10m3/min的区域。

1.1.2 地质构造瓦斯异常区

在煤巷掘进过程中，接近断层、陷落柱、褶曲、煤层坡度变化大于5°或煤层性质产状急变等地质构造区域，瓦斯涌出异常，则该地质构造前后30m为地质构造瓦斯异常区域。

1.1.3 瓦斯异常征兆区：迈步钻场、掘进迎头施工钻孔及迎头掘进过程瓦斯异常涌出，造成瓦斯超限的，该迎头前方100m区域视为瓦斯异常征兆区。

1.2 二级瓦斯区域

煤层钻屑解吸指标K1≥0.4，或瓦斯含量W≥8m3/t，或风排瓦斯量3m3/min？燮Q风<10m3/min，且瓦斯压力P0<0.7MPa，且无瓦斯动力现象的区域。

1.3 三级瓦斯区域

煤层钻屑解吸指标K1<0.4，且瓦斯含量W<8m3/t，且瓦斯压力P0<0.7MPa，且风排瓦斯量Q风<3m3/min，且无瓦斯动力现象的区域。

2  区域瓦斯治理措施

2.1 一级瓦斯区域瓦斯治理措施

一级瓦斯区域采取正头超前探、预抽钻孔+迈步钻场区域护帮预抽钻孔+迎头释放孔措施。

2.1.1 正头钻孔布置参数

巷道迎头共施工15个钻孔，钻孔成3排5列布置，排间距0.4m，各排钻孔开孔高度分别为1.4m、1.8m、2.2m，并按列间距1m居中布置。巷道沿底板掘进时，6#、9#、12#钻孔兼做地质超前探钻孔使用，沿顶板掘进时4#、7#、10#钻孔兼地质超前探钻孔使用。钻孔施工时，先施工地质超前探钻孔，然后按钻孔编号顺序依次施工其余钻孔。钻孔施工参数如表1所示。

2.1.2 钻场布置方式

工作面迎头布置双翼钻场（若巷道内布置有钻场，取距工作面最近钻场和迎头另一侧新布置钻场作為双翼钻场），正头预抽钻孔有效控制范围内，巷道内按照步距50m（同帮钻场间距100m）布置迈步钻场，除工作面胶带顺槽回采侧钻场为内宽4m、外宽6m、深5m、与巷道等高的等腰梯形钻场外，其余地点迈步钻场规格均为内宽4m、外宽6m、深4m、高3.4m的等腰梯形钻场。

2.1.3 钻场内钻孔布置参数

每个迈步钻场内施工9个钻孔，钻孔按3排3列布置，钻孔轨迹控制距巷帮0～20m区域煤体。各排钻孔开孔高度距巷道底板分别为1.4m、1.8m、2.2m，最外列钻孔距巷道壁2.5m，钻孔列间距为0.5m。当巷道沿底板掘进时，9#钻孔为超前探钻孔;巷道沿顶板掘进时，7#钻孔为超前探钻孔。在钻孔施工过程中，先施工超前探孔，然后按1#～9#的钻孔编号顺序依次其它钻孔，且在新钻场掘成之前，前一个钻场内的钻孔必须最少施工完成6个。在新钻场施工完成，巷道掘进10m内，必须将前一钻场钻孔全部施工完成，并在新钻场内开始施工钻孔，保证掘进工作面有不少于20m长的超前护帮钻孔。若由于地质异常，两个钻场间距不足50m，可安排两个钻场同时施工钻孔。钻孔布置参数如表2所示。

2.1.4 迎头预抽效果判定

迎头钻孔施工完毕并联网带抽后，设置专人负责每天观测一次瓦斯抽采数据并做好台账记录。抽采部门根据累计抽采量，理论计算正头残余瓦斯含量，及时分析正头预抽钻孔抽采情况。再进行预抽效果检验，当最短抽采时间（最后一个钻孔抽采时间）达到10天时，对工作面瓦斯参数测定一次，根据实测参数采取相应的措施，具体内容如下：

①若W实测<8m3/t、且K1<0.4、且风排瓦斯量Q风<3m3/min，则巷道迎头抽采钻孔方可回收，组织正常掘进;

②若测得K1<0.5、或瓦斯含量W<10m3/t、且风排瓦斯量Q风<10m3/min，则巷道迎头抽采钻孔方可回收，组织正常掘进，且每掘进7.2m正头施工一次释放孔掩护掘进，释放孔按二级瓦斯区域正头释放孔布置;

③若测得K1值？叟0.5且瓦斯含量W？叟10m3/t、或风排瓦斯量Q风？叟10m3/min，则在巷道正头按一级瓦斯区域施工释放孔，正头释放24小时后，再次进行相关参数测定。若测得K1<0.5、或瓦斯含量W<10m3/t，且風排瓦斯量Q风<10m3/min，则巷道正常掘进，并在掘进过程中，根据参数所在区间范围采取相应的释放孔措施。否则继续释放24小时后再次进行相关参数测定，直至参数符合要求方可掘进。连续3次测量参数超标，抽采部门分析迎头预抽钻孔抽采纯流量。若抽采纯流量衰减严重（纯流量衰减30%），则回收迎头预抽钻孔，组织掘进，巷道两侧布置迈步钻场，且每掘进7.2m正头按一级瓦斯区域施工一次释放孔掩护掘进。

掘进工作面若恢复掘进，工作面允许掘进距离为有效钻孔深度H-30m（工作面有效钻孔深度H为半数及以上长钻孔中，孔深较浅钻孔的深度）。

2.1.5 迎头释放孔补充措施

进行措施效果检验后，根据检验结果，在巷道迎头采取相应的释放孔补充措施。

一级瓦斯区域释放孔布置参数如下：释放孔根据工作面巷道断面按每平方米2个（如5.4*3.8巷道尺寸，释放孔分4排10列布置，各排开孔高度离巷道底板距离分别为1.0m、1.6m、2.2m、2.8m，排间距为0.6m，列间距0.5m，其它巷道断面按此种布置方式进行适当调整）进行施工，钻孔直径为65mm，深度为15m。

2.1.6 措施效果检验

工作面采取迎头预抽钻孔措施而正常掘进过程中，在迎头抽采钻孔有效控制范围内，每掘进7.2m（地质异常区每掘进6m以内）测一次K1、S值，每掘进30m（地质异常区20m）测一次瓦斯含量，并每日监测工作面有无瓦斯动力现象及工作面风排瓦斯量Q风。掘进距离超出抽采钻孔有效控制范围时，进行瓦斯区域判定，并采取相应区域措施掩护掘进。

2.2 二级瓦斯区域瓦斯治理措施

二级瓦斯区域采取迈步钻场区域条带护帮预抽钻孔+正头气相压裂+正头释放钻孔措施。

2.2.1 迈步钻场布置方式

掘进期间，巷道内按照步距50m（同帮钻场间距100m）布置迈步钻场，掘进胶带顺槽时，工作面回采侧钻场为内宽4m、外宽6m、深5m、与巷道等高的等腰梯形钻场;工作面外侧钻场为内宽4m、外宽6m、深4m、高3.4m的等腰梯形钻场，其他巷道钻场内宽4m、外宽6m、深4m、高3.4m的等腰梯形钻场。

2.2.2 迈步钻场内钻孔布置参数

每个迈步钻场内施工6个钻孔，钻孔成3排2列布置，钻孔轨迹控制距巷帮0～20m范围内约6m厚的全层煤体。各排钻孔开孔高度距巷道底板分别为1.4m、1.8m、2.2m，最外列钻孔距巷道壁2.5m，最里列钻孔距钻场内壁0.5m（胶顺回采工作面侧为2m）。当巷道沿底板掘进时，6#钻孔为超前探钻孔;巷道沿顶板掘进时4#钻孔为超前探钻孔。在钻孔施工过程中，先施工超前探孔，然后按1#～6#的钻孔编号顺序依次其它钻孔，且在新钻场掘成之前，前一个钻场内的钻孔必须全部施工完成。若由于地质异常，两个钻场相距不足50m，可安排两个钻场同时施工钻孔。在新钻场施工完成，巷道掘进10m内，新钻场内必须开始施工钻孔，钻场与正头CO2预裂平行作业时，工作面在距离钻场20m范围内开钻，保证掘进工作面有不少于20m长的超前护帮钻孔。钻场内钻孔布置如表3所示。

2.2.3 迎头CO2气相压裂钻孔布置参数

工作面瓦斯含量W≥9m3/t（以最新测的含量作为评判依据），巷道每掘进50m，在正头依次施工1个CO2气相压裂钻孔，钻孔方位与巷道中线一直，倾角与煤层倾角一致，钻孔开孔位置距巷道底板高度为1.5m，钻孔位于巷道水平中间位置。钻孔直径为113mm，钻孔深度为80m，允许掘进距离为50m。若打钻异常，不能打至设计深度，则根据实际孔深组织压裂。CO2气相压裂钻孔用作超前探时，允许掘进距离为：钻孔深度-30m;不视作超前探时，允许掘进距离为：实际压裂距离（即钻孔内实际装的压裂杆的长度）。进行CO2气相压裂的工作面，连续两次测得含量<9m3/t，工作面方可取消CO2气相压裂。

为了便于气相压裂施工，CO2气相压裂钻孔必须用麻花钻施工;在正头进行地质构造详细探测时，为了减少钻孔轨迹偏差，必须光面钻杆配75～94mm钻头进行施工。

2.2.4 迎头CO2参数气相压裂施工参数

CO2气相压裂钻孔施工完成后，在钻孔内进行CO2气相压裂。

2.2.5 二级瓦斯区域迎头释放孔布置参数

工作面掘进过程中，每掘进7.2m，必须采取正头释放孔瓦斯治理措施，释放孔分4排7列布置，各排开孔高度离巷道底板距离分别为1.0m、1.6m、2.2m、2.8m，排间距为0.6m，列间距0.7m。释放孔的孔径为65mm、孔深15m，允许掘进距离为7.2m。

2.2.6 措施效果检验

工作面采取措施后，向前掘进过程中，每30m（地质异常区20m）测一次瓦斯含量，每掘进7.2m（地质异常区每掘进6m以内）测一侧K1、S值，并每日监测工作面有无瓦斯动力现象及工作面风排瓦斯量Q风。

2.3 三级瓦斯区域瓦斯治理措施

掘進工作面每日监测有无瓦斯动力现象，并根据瓦斯探头数据计算工作面瓦斯涌出量;每30m测一次瓦斯含量、钻屑解吸指标K1、S值。

工作面掘进过程中，必须按上述规定测定相关数据，各参数符合要求方可继续组织掘进。为了提前对工作面回采时裂隙带钻孔打设做准备，掘进顺槽时，需要在回采面侧每100m布置一个钻场作为裂隙带抽采钻场。钻场规格为内宽4m，外宽6m，深5m与巷道等高的等腰梯形钻场。

3  区域瓦斯等级转换

3.1 区域瓦斯等级由低向高转换

当三级瓦斯区域升级为二级（一级）瓦斯区域时，在工作面迎头两侧布置双翼钻场，工作面一侧钻场钻孔深度为140m，另一侧钻场钻孔深度为90m，作为超前探的钻孔另外增加2m。当工作面掘进50m时，在工作面短孔侧施工钻场并按照二级瓦斯区域要求施工抽采孔，随后按照50m施工迈步钻场。

当二级瓦斯区域升级为一级瓦斯区域时，在距工作面最近钻场内施工9个钻孔，同时在工作面迎头另一侧布置钻场，并按照一级瓦斯区域在工作面正头及钻场内打设抽采孔进行预抽。向前掘进时，继续按照50m施工迈步钻场。

3.2 瓦斯管理等级由高向低转换

一级瓦斯区域降级为二级瓦斯区域：在掘进作业过程中，一级瓦斯区域采取措施允许掘进后，在本次迎头预抽钻孔有效控制范围内，所测瓦斯含量均满足W<10m3/t、且每掘进7.2m所测K1值均满足K1<0.5、且每日风排瓦斯量Q风<10m3/min、且掘进过程无瓦斯动力现象，则巷道掘进距离超出迎头预抽钻孔有效控制范围时，区域瓦斯等级由一级瓦斯区域降级为二级瓦斯区域。

二级瓦斯区域降级为三级瓦斯区域：在掘进作业过程中，二级瓦斯区域采取措施允许掘进后，迎头超前探控制掘进距离范围内，所测瓦斯含量均满足W<8m3/t、且每掘进7.2m所测K1值均满足K1<0.4、且每日风排瓦斯量Q风<3m3/min、且掘进过程无瓦斯动力现象，则巷道掘进距离超出迎头超前探控制范围时，区域瓦斯等级由二级瓦斯区域降级为三级瓦斯区域。

4  结语

为了保证掘进作业在瓦斯治理措施允许掘进范围之内，掘进队组自主建立井下瓦斯治理措施掘进循环台账、掘进循环标记;安全员、瓦斯员现场监督，并将每班掘进工作面距循环标记点距离汇报各自调度;业务科室不定期对各工作面进行抽查。通过采取掘进工作面瓦斯分级治理方法，特别是气相压力技术、工作面释放孔、迈步钻场技术配合使用，对今后瓦斯治理工作具有深远的意义。

参考文献：

[1]王平虎.特大型高瓦斯、突出矿井分区分级瓦斯治理技术[J].矿业安全与环保，2013，02.

[2]吕建光.高瓦斯及突出矿井瓦斯灾害的分级处理技术[J].能源与节能，2014，12.

[3]孙常玉，于磊，郭云强.某水电站特大洞室群瓦斯防治关键技术研究[J].价值工程，2019，38（33）：171-172.

作者简介：刘海涛（1981-），男，山东滕州人，本科，工程师，从事煤矿建设、通防瓦斯抽采、工程地质测量工作研究。