煤巷条带区域“三位一体”瓦斯治理技术研究与应用

于国林

摘 要：松软煤层采取穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯的防突措施后，煤巷掘进期间，局部区域瓦斯涌出量不均匀，易发生瞬间升高现象，特别是水力冲孔后产生的孔洞，增加了掘进期间的瓦斯管理难度。结合矿井实际情况，本研究采用穿层钻孔预抽+卸压带抽采+深孔预注水的综合瓦斯治理方案，解决了煤巷掘进期间瓦斯异常涌出的问题，实现了煤巷快速掘进。

关键词：瓦斯治理;煤巷条带;三位一体;松软煤层

中图分类号：TD712.6文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0061-03

Abstract： After adopting the anti-outburst measures of drilling and pre-draining coal lane strip gas in two1 soft coal seams， during coal road excavation， the gas emission in some areas is uneven， and the phenomenon of instantaneous rise is easy to occur， especially the holes produced after hydraulic punching increase the difficulty of gas management during tunneling. Combining the actual situation of the mine， this study adopts the comprehensive gas treatment plan of pre-drainage through drilling + pressure relief zone extraction + deep hole pre-injection， which solves the problem of abnormal gas emission during coal roadway excavation and realizes rapid coal road excavation.

Keywords： gas control;coal road strip;trinity;soft coal seam

煤炭資源在中国经济发展中占有重要位置，而瓦斯灾害是影响煤炭生产的主要灾害之一，对职工安全及煤矿安全生产的威胁最大[1]。结合云盖山煤矿一矿煤巷掘进情况，本文对掘进期间瓦斯涌出源进行分析，依据多措并举的瓦斯防治思路，总结出穿层钻孔预抽+卸压带抽采+深孔预注水“三位一体”的瓦斯治理方案，既有效防治了煤与瓦斯突出，又大大降低了生产期间的瓦斯涌出量，改善了工作面的作业环境，确保了煤巷工作面的安全高速掘进。

1 概况

云盖山煤矿一矿位于禹州煤田西部，主要开采二1煤层，属煤与瓦斯突出矿井，地质条件复杂，煤层赋存不稳定，煤巷掘进采取穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的防突措施并配合水力冲孔卸压增透措施，经检验，各项指标和条件都符合防突要求后，方可掘进[2]。巷道掘进至320 m时，回风流瓦斯变量过大，瓦斯浓度时常超过0.3%，风排瓦斯量最高达到2.8 m3/min。对此，在工作面进行浅孔抽放钻孔和浅孔注水，但受时间和空间位置关系的影响，效果甚微。经分析，瓦斯主要来自工作面落煤和后巷煤体，据此优化施工方案，调整煤巷掘进工序，利用底抽巷穿层钻孔超前煤巷32 m进行深孔预注水，同时，在工作面后方5 m进行浅孔抽放钻孔，解决掘进期间瓦斯涌出量增大的现象。

2 巷道的瓦斯涌出源分析

22206运输顺槽月计划进尺90 m，工作面实际风量为530 m3/min，巷道已掘进493 m。对巷道上下帮的瓦斯涌出量进行检测，自掘进工作面向后200 m的区域，安排专职瓦检员按每10 m布置一个测定点的方法进行瓦斯检测（巷道掘进至320 m时出现回风流瓦斯偏高情况），发现后巷瓦斯浓度分布不均且局部偏高，最大达到0.56%，130 m后出现下降趋势，而这一区域煤体平均厚度为6 m左右。在采取区域防突措施时，为了保证不留空白带，冲孔控制全煤厚度，在底抽巷对应区域加大了煤体的冲出煤量。单孔冲出煤量最高达到18 m3，由此判定回风流瓦斯异常升高的原因为底抽巷水力冲孔造成煤体出现一定的孔洞或裂隙，致使巷帮煤体受掘进应力影响，孔洞或裂隙内的残余瓦斯大量释放。

根据瓦斯浓度情况，22204运输顺槽掘进工作面里程493 m向后120 m的范围内都有升高趋势，70 m巷帮的瓦斯涌出浓度大于0.3%，最大为0.56%，如图1所示。针对瓦斯涌出分布情况，采用浅孔抽放钻孔措施，从而减少巷帮瓦斯的涌出。

3 瓦斯治理措施分析

3.1 穿层钻孔预抽和水力冲孔泄压

云盖山煤矿一矿的煤层是两软一硬煤层，即煤层软、底板软、顶板硬，由于顶板受上覆岩层重力作用影响，煤体内部裂隙受重力压缩作用，处于封闭或半封闭状态[3-5]。煤层透气性系数为0.003 4～0.103 7 m2/（MPa2·d），煤层透气性极差，其属于不易抽放煤层。通过比较分析，效果最好的瓦斯防突治理措施就是穿层水力冲孔泄压。简单来说，煤巷掘进采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的方法，辅助大量冲孔对煤体进行泄压。

通过现场检测验证，冲出的煤泥在底抽巷全风压行道内经沉淀、储存和计量后（从孔内流出到上皮带转运前大约有8 h），对沉淀煤体表面（测定位置距煤体表面1 cm）的瓦斯涌出量进行浓度测定，因煤体表面进行了风量稀释，瓦斯浓度保持在0.1%～0.3%，之后对煤体表面以下2 cm内的部分进行剥离，再进行瓦斯浓度测定，测出的数据介于2.5%～8.0%，经0.5 h后，测定结果保持在0.2%～0.5%，依次进行向下操作，都会有类似的测定结果。结合煤体透气性系数对这种现象进行分析，结果发现，云盖山区域的煤层透气性极差，靠单一的抽放解决煤与瓦斯突出问题，效果不会很好。理想的方法就是加大冲孔煤量，改变煤体赋存条件，卸瓦斯压力，卸地应力，从而增加煤体裂隙，提高抽放率，达到有效防突的目的。

水力冲孔具体情况是根据水力冲孔有效影响半径，每米煤段冲出不少于1 m3煤量，厚煤区域或瓦斯含量相对高的区域每米煤段冲出煤量不少于3 m3。按照水力冲孔抽放3个月后抽放半径为8.5 m设计，22204运输顺槽钻孔组间距为8 m，每组布置7个钻孔。同时，对于原始瓦斯含量高及效果检验异常的区域，继续执行补充穿层加密钻孔措施，与原措施钻孔的间距为4 m，每组有3个钻孔，控制22204运输顺槽巷道中部及两帮宽度在20 m，每米煤段冲出煤量增加到不少于4 m3。

钻孔封孔使用“两堵两注”囊袋式带压封孔工艺，采用分离式封孔管，封孔长度不小于10 m，煤厚小于5 m的钻孔必须穿过煤层0.5 m，全程下封孔管。

3.2 底抽巷穿层钻孔深孔预注水

为有效地降低工作面瓦斯含量及掘进期间的产尘量，掘进工作面借助底抽巷进行深孔预注水。在底抽巷超前掘进工作面进行注水时，压力为4 MPa，单孔注水不低于40 m3或临近钻孔出水。其間利用原来施工的穿层孔进行注水，严格按照注水技术设计，结合掘进工作面掘进速度，有序拆除抽放管，封装注水管，并安排专人负责管控注水时间和注水流量。

3.3 卸压带抽采

受底抽巷穿层水力冲孔对煤体透气性改变以及掘进应力的影响，掘进工作面后巷上帮煤体裂隙发育，瓦斯赋存量大，它是后巷瓦斯涌出的主要来源。因此，采取的防范措施是浅孔抽放钻孔，进行卸压带抽采，降低后巷瓦斯涌出。自工作面向后3～5 m，沿上帮钻单排孔，孔深为15 m，孔径为75 mm，孔间距为0.8 m，采用插入式封孔器进行封孔，每天施工一组钻孔，共有6个。当抽放浓度低于1.5%时，进行甩孔停抽。

4 效果分析

4.1 瓦斯指标和动力现象分析

采取穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的防突措施和水力冲孔卸压增透措施后，煤巷条带区域内最高原始瓦斯含量为9.85 m3/t，区域效果检验时，检测结果都降低到小于6.0 m3/t。煤巷掘进期间无发生响煤炮声、喷孔、顶钻等动力现象，尤其经过大量冲孔后，煤体内的应力得到充分释放，极大地削弱了煤与瓦斯突出的动力。

4.2 瓦斯涌出量对比分析

22204运输顺槽在掘进到590 m时，对比区域选取22204运输顺槽里程493～573 m段，此区域已经采取了“三位一体”的底抽巷穿层钻孔深孔预注水和卸压带抽采措施，该段煤层厚度为3.5～7.0 m，沿二1煤层顶板掘进，煤层顶板标高为-110～-112.1 m，该范围内原始瓦斯含量为4.12～9.85 m3/t，原始瓦斯压力为0.00～0.32 MPa。采取区域防突措施后，实测残余瓦斯含量为4.03～5.06 m3/t，残余瓦斯压力为0.1 MPa。另一对比区域是里程350～400 m段，此区域依据监控保存的数据进行分析，在没有采取“三位一体”的底抽巷穿层钻孔深孔预注水和卸压带抽采措施时，掘进期间绝对瓦斯涌出量为0.66～1.43 m3/min。

对于采取“三位一体”的底抽巷穿层钻孔深孔预注水和卸压带抽采后的区域，回风流中的瓦斯浓度大大降低，掘进期间的瓦斯涌出量下降，介于0.3～0.4 m3/min，如图2所示。

4.3 区域验证情况分析

22204运输顺槽区域验证采用钻屑指标法，若验证解吸指标值不小于160 Pa或钻屑量不小于6 kg/m，则说明掘进工作面有突出危险，反之无突出危险。区域验证孔控制巷帮外2～4 m，区域验证孔直径为42 mm，孔数为3～5个，投影孔深不小于8 m，保留3 m超前距。22204运输顺槽在掘进590 m长度内，煤厚介于3.0～3.5 m，共执行区域验证130次循环，该段区域验证的解吸指标值保持在100～140 Pa，最大钻屑量为5. 1 kg/m，区域验证指标均低于《防治煤与瓦斯突出细则》规定的临界值，如图3所示。

4.4 超前预注水和泄压带抽采效果分析

采用底抽巷穿层钻孔超前注水后，煤层的含水率由原来的1%左右增加到3%左右，降低了煤体硬度，增强了煤体塑性，减小了掘进应力，提高了防突效果。同时，煤体孔隙率增加，泄压带抽采效果提高，掘进面后巷的风排瓦斯涌出量由平均2.12 m3/min降低到1.06 m3/min，工作面生产期间的产尘量也有了明显降低，呼吸性粉尘由32.45 mg/m3下降至6.22 mg/m3。

5 结论

采用穿层钻孔预抽+卸压带抽采+深孔预注水的“三位一体”综合瓦斯治理方案之前，云盖山煤矿一矿22204运输顺槽掘进期间，区域验证的最高解吸指标值达到180 Pa，最大钻屑量达到5.8 kg/m，之后区域验证指标明显降低，最高解吸指标没有超过140 Pa，最大钻屑量没有超过5.1 kg/m，无发生响煤炮声、喷孔、顶钻等动力现象。后巷最大瓦斯涌出浓度由0.56%降低到0.30%。掘进期间的产尘量大大降低，工作面粉尘量下降至少75%，保证作业场所的环境质量。掘进速度由原来的90 m/月提高到125 m/月，实现了安全快速掘进，也为云盖山矿区突出煤层煤巷掘进提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1]吴迪.掘进工作面瓦斯治理技术研究[J].能源与节能，2021（3）：107-108.

[2]白明锴.卸压区域顺层钻孔两堵一注定点封孔位置考察与应用[J].煤炭与化工，2021（2）：117-120.

[3]刘东，刘文.水力冲孔压裂卸压增透抽采瓦斯技术研究[J].煤炭科学技术，2019（3）：136-141.

[4]黄旭超.松软煤层煤巷掘进条带瓦斯治理技术研究[J].矿业安全与环保，2020（3）：92-95.

[5]陈利权.穿层钻孔和顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯在梨树煤矿的应用[J].工程技术，2014（147）：162.