采区运输下山石门揭煤综合瓦斯防治技术

张连伟

(开滦(集团)有限责任公司东欢坨矿业分公司，河北 唐山 064002)

随着煤矿开采深度的增加，在巷道掘进施工过程中，以石门揭煤发生煤与瓦斯突出事故的概率最大。据统计，我国千吨级及以上的特大煤矿突出事故中，石门揭煤工作面发生煤与瓦斯突出约占70%～80%，其突出强度达到其他巷道煤与瓦斯突出强度的6倍以上[1-4]，因此，在石门揭煤过程中必须采取安全高效的防突措施。国内外许多学者针对石门揭煤的煤与瓦斯突出机理和瓦斯综合防治措施开展了研究[5-10]，提出了各类煤与瓦斯防突方法，其中，预抽煤层瓦斯作为区域防突措施被广泛应用于揭煤工作中[11-15]。但是由于煤矿的煤层赋存条件和巷道类型的不同，煤与瓦斯突出的条件也不一样，形成各自不同的特点。本文以开滦矿区二水平南一采区运输下山下部石门揭煤为研究对象，通过理论分析、现场实测与验证的方法对石门揭煤综合瓦斯防治技术进行研究，以期为类似矿井的石门揭煤瓦斯防治提供依据。

1 矿井概况

开滦矿区二水平南一采区运输下山下部石门布置在二水平，开口位置为运输下山运输联络巷，共包括运输下山、运输下山下部石门二部分。运输下山为16°下山，沿12-1煤层顶板掘进，已施工到位。运输下山下部石门为新区域掘进，设计长度80m，将穿过11、9煤层。目前已施工45.4m(AX34测点前)，巷道掘进层位处于12-1煤层顶板(11煤层底板)，即将揭露11煤层。11煤层倾向N306°，倾角N20°，真厚平均2.2m，煤层稳定，结构简单，块状，煤质较硬。11煤层顶底板情况见表1。2018年10月17日，二水平南一采区运输下山下部石门工作面掘进至距11煤层法线距离7.5m位置停止掘进，开始实施揭煤综合瓦斯防治技术。

表1 11煤层顶底板情况

2 石门揭煤综合瓦斯治理技术

二水平南一采区运输下山下部石门工作面从距11煤层底板最小法向距离5m开始到穿过煤层进入顶板2m的过程均属于揭煤作业。

2.1 瓦斯参数测定

1)煤层瓦斯压力测定。工作面在距离11煤层法向距离7.5m时，停止工作面施工。在二水平南一采区运输下山AX30测点前28m右帮钻窝内施工两个瓦斯参数测定钻孔，分别为C1、C2；在二水平南一采区运输下山下部石门AX34测点前14m左帮钻窝内施工一个瓦斯参数测定钻孔C3，对11煤层进行了瓦斯压力测定工作，测得最高瓦斯压力为2.6MPa，钻孔施工过程中未发现卡钻、顶钻、夹钻、瓦斯动力等异常现象。二水平南一采区运输下山下部石门揭11煤层瓦斯参数测定钻孔布置如图1所示。钻孔施工参数见表2。

图1 运输下山下部石门揭11煤层瓦斯参数测定钻孔布置

2)煤层其他参数测定。根据实际计算得出，11煤层瓦斯含量10.769m3/t，吸附常数a=29.69m3/t，b=0.25m3/t，瓦斯放散初速度△P=8.9，煤的水分Mad=1.22%，煤的灰分Ad=8.27%，煤的孔隙率为0.06868，煤的容重1.3t/m3。

表2 钻孔施工参数

综上，二水平南一采区运输下山下部石门测得瓦斯含量10.769m3/t；瓦斯压力为2.6MPa，因此，判定该掘进工作面需要进行瓦斯预抽。

2.2 瓦斯预先抽采

开滦矿区二水平南一采区运输下山下部石门揭煤主要采取预抽钻孔的方法对11煤层揭煤区域进行预先抽放，预抽钻孔抽放半径3m，孔间距不大于6m，钻孔设计角度为-4.48°～33.35°，孔深13.9～59.7m，控制范围为巷道上、左、右侧5m，控制巷道底部3m。

钻孔采用ZDY-1200、ZDY-4000型钻机施工，开孔孔径113mm，终孔孔径94mm，施工抽放钻孔数36个，总计1290.9m。二水平南一采区运输下山下部石门瓦斯抽放孔布置如图2所示，具体参数见表3。

2018年11月7日开始将钻孔接入抽放管路，每班检测抽放管进气端瓦斯浓度、瓦斯泵排放口瓦斯浓度、抽放流量并计算瓦斯抽放量，截止到2019年1月4日，抽放时间共计58d，抽放量共计24075.3m3。

2.3 水力冲孔

当所有预抽钻孔几乎不能抽出瓦斯时，利用抽放钻孔对11煤层进行水力冲孔，使煤体破坏剥落，使煤层煤岩中的弹性潜能和瓦斯的膨胀能在可控的条件下缓慢释放，逐渐形成若干直径较大的孔洞。煤层中新裂缝的产生和应力水平的降低打破了瓦斯吸附与解吸的动态平衡，瓦斯解吸和排放速度加快，使部分吸附瓦斯转化成游离瓦斯，而游离瓦斯则通过裂隙运移得以排放，提高煤层瓦斯透气性。水力冲孔过程排出了大量的瓦斯和一定数量的煤炭，在煤体中形成一定的卸压、排放瓦斯区域。在这个安全区域内，水力排渣消除了煤层的动力，改变煤层的性质，起到有效的防治瓦斯效果。

图2 一采区运输下山下部石门揭11煤层抽采孔布置(m)

1)布孔方法：利用1#—20#预抽钻孔作为水力孔，通过1#—5#验证孔观测瓦斯浓度、压力变化情况，每个钻孔冲出煤量及各钻孔累计冲出的总煤量数值应不小于煤层厚度乘以20。冲孔顺序：1#、6#、11#、16#、20#、17#、14#、8#、4#、3#、2#、5#、9#、13#、12#、7#、10#、15#、18#、19#。

2)施工工艺：要求水力冲孔水压3MPa，孔口安设防喷装置，工作面后退10m设置泵窝，安设两台2.2kW潜水泵，进行排水，并安排人员进行清淤，保证工作面后路畅通。

3)技术要求：①钻孔孔径∅94mm，下8m套管并注浆固结，不漏水漏气，冲孔采用∅43mm钻杆；②高压管、钻杆等接头必须加装密封装置，减少漏水，确保冲孔压力不小于3MPa；③合理控制排渣压力，并满足快速卸压需要；④孔口防喷装置完善可靠，涌出瓦斯较大时，控制冲孔流量，避免瓦斯泄漏超限；⑤建立水力冲孔管理台账，详细记录钻孔孔号、班次、见煤深度、穿煤长度、冲孔压力、冲孔时间、排出煤量等参数，以及排渣操作人员等内容。

表3 一采区运输下山下部石门瓦斯抽放孔设计参数

2.4 预抽煤层措施效果检验

工作面在距11煤层法向距离7.5m，完成水力冲孔工作后，在已打的5个检验孔基础上，根据水力冲孔后实施情况和效果检验孔布孔原则再补打5个检验孔(检6—检10)。采用直接测定煤层残余瓦斯压力进行预抽煤层措施效果检验，在实施钻孔法瓦斯治理措施效果检验时，避免与验1—验5相互影响，远离周围的各种钻孔或尽可能与周围各种钻孔保持等距离，分布在工作面各部位的检验钻孔布置于所在部位瓦斯治理措施钻孔密度相对较小、孔间距相对较大的位置。区域瓦斯治理措施效果检验钻孔参数见表4。

表4 区域瓦斯治理措施效果检验钻孔参数表

自2019年1月21日，施工完6号检验孔，安装压力表测瓦斯压力，之后陆续施工7—10号检验孔，截止到2019年2月1日，实测瓦斯压力最高0.06MPa。根据现场实测瓦斯压力数据以及中国矿业大学计算残存瓦斯含量结果，该工作面瓦斯压力0.06MPa<0.6MPa，残存瓦斯含量3.19m3/t<6m3/t，该工作面满足《煤矿安全规程》、《瓦斯抽采达标暂行规定》、《河北省瓦斯综合治理办法》的要求。综上所述，该掘进工作面预抽效果评判结果为抽采达标。

2.5 煤体固化

巷道掘至距11煤层法线距离2m时，停止掘进，采用注水泥浆方式对钻孔进行加固，需注水泥的钻孔，根据钻孔见煤点来确定，钻孔位于巷道轮廓线外0.5～2.0m的范围内。煤体固化期间，在巷道四周环状固化钻孔外侧的煤体中，预抽或排放瓦斯钻孔自固化作业到完成揭煤前应保持抽采或自然排放状态，否则，应打一定数量的排放瓦斯钻孔。从固化完成到揭煤结束的时间超过5d时，必须重新进行工作面瓦斯治理措施效果检验。

3 结 论

从开滦矿区二水平南一采区运输下山下部石门揭煤施工以来，严格执行石门揭煤综合瓦斯防治技术，加强瓦斯管理，通过瓦斯预抽、水力冲孔、煤体固化等措施，降低揭煤点及其周围煤层瓦斯含量，瓦斯压力降至0.6MPa以下，在此期间无发生一次瓦斯高值，每天保证正规循环，日进尺1.4m，顺利实现了安全揭过煤，为矿井采掘正常接替提供了有力的保障。