大水头煤矿一采区瓦斯压力临界值考察研究

郭武奎，靳 鹏

（1.甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿，甘肃 白银 730913；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

0 引言

煤层瓦斯压力作为评价煤层瓦斯含量大小及评测煤层是否具有突出危险性的最重要的指标之一，其数值的大小直接关系到瓦斯治理工程、瓦斯治理方法及矿井瓦斯治理资金投入的多少[1]。《防治煤与瓦斯突出细则》中规定，高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井要及时测定煤层瓦斯压力参数，并在矿井、采区开拓前、开拓期间及生产期间要持续性测定煤层瓦斯压力来进行开采煤层的突出危险性鉴定。同时也规定，煤与瓦斯突出矿井要进行区域预测指标临界值的考察，以使后续矿井的安全生产提供科学指导，在未确定相应的区域突出预测指标之前，可以参考以0.74 MPa为参考指标[2]。针对该区域突出危险性指标的临界值考察问题，我国多数矿井均采用国家给定的参考指标来进行突出危险性预测工作，却未考虑不同煤炭赋存区域、不同区域地质条件差异所带来的煤层瓦斯含量变化，给矿井的防突工作带来较大不确定性。为此，针对该问题，大水头煤层开展了区域预测指标瓦斯压力临界值的考察，其考察结果和研究方法可为其他矿井开展类似工作提供了有效指导。

1 区域预测指标临界值考察重要性分析

矿井开采突出煤层须进行区域突出危险性预测，区域预测一般根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的方法进行，也可以采用其他经试验证实有效的方法。根据煤层瓦斯压力和瓦斯含量进行区域预测的临界值应当由具有煤突与瓦斯突出鉴定资质的机构进行试验考察。试验方案和考察结果应用前由煤矿企业技术负责人批准[3-4]。区域预测新方法的研究试验应由具有突与瓦斯突出鉴定资质的机构进行，并在试验前由煤矿企业技术负责人批准。根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法，是把原来的瓦斯地质统计法和综合指标法综合起来，从而形成一套能够对一个区域进行完整的区域预测的方法[5-6]。瓦斯地质划分突出危险性区域，如图1 所示。具体做法是：先把区域中那些能够根据实际发生的突出或明显突出预兆及煤层瓦斯风化带分布等划分成危险区、无危险区的部分划分出来，然后对于其他区域则根据煤层瓦斯压力或含量进行预测和划分。

图1 根据瓦斯地质分析划分突出危险区域示意图

根据煤层瓦斯参数结合瓦斯地质分析的区域预测方法应当按照下列要求进行：煤层瓦斯风化带为无突出危险区域；根据已开采区域确切掌握的煤层赋存特征、地质构造条件、突出分布的规律和对预测区域煤层地质构造的探测、预测结果，采用瓦斯地质分析的方法划分出突出危险区域。当突出点或者具有明显突出预兆的位置分布与构造带有直接关系时，则该构造的延伸位置及其两侧一定范围的煤层为突出危险区；否则，在同一地质单元内，突出点和具有明显突出预兆的位置以上20 m（垂深）及以下的范围为突出危险区[7-8]；在第一项划分出的无突出危险区和第二项划分的突出危险区以外的范围，应当根据煤层瓦斯压力P 和煤层瓦斯含量W 进行预测。预测所依据的临界值应当根据试验考察确定，在确定前可暂按表1 预测。

表1 根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值

区域预测所依据的主要瓦斯参数测定应当符合下列要求：煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数应当为井下实测数据，用直接法测定瓦斯含量时应当定点取样；测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同地质单元内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置；同一地质单元内沿煤层走向布置测试点不少于2 个，沿倾向不少于3 个，并确保在预测范围内埋深最大及标高最低的部位有测试点。

2 大水头煤矿该矿

2.1 矿井概况

2.1.1 瓦斯情况

大水头煤矿为煤与瓦斯突出矿井，井田内瓦斯地质构造复杂，可采煤层瓦斯含量为6～10 m3/t，呈现东高西低特征，原始煤层瓦斯压力为0.15～0.70 MPa，煤层透气性系数1.11～4.66 m2/（MPa2·d），煤层为可抽采煤层。矿井总排风量为10 648 m3/min，有效风量率92.7%，根据2021 年度矿井瓦斯等级鉴定报告，矿井绝对瓦斯涌出量为41.53 m3/min，相对瓦斯涌出量11.08 m3/t，采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为11.64 m3/min，掘进面最大绝对瓦斯涌出量3.04 m3/min。

矿井建有1 套地面永久抽采系统，安装2 台2BEP5202-BG3C 型抽采泵，额定抽气量206 m3/min，2 台2BE1405-1BV3C抽采泵，额定抽气量120 m3/min，东西采区各安装2 台ZWY85/110-G 型移动式瓦斯抽采泵。抽采管路约20 000 m，两趟Φ400 mm 抽采主管路，对矿井实行分区抽采，抽采总浓度为25%～32%之间，总纯流量为28m3/min 左右，月抽采瓦斯量120 万m3左右，矿井抽采率达46%左右。年施工瓦斯抽采钻孔12 万余米，配有ZDY-650 型、ZDY-4000 型、ZDY-3500LP 型等抽采钻机，当前矿井共连网抽采钻孔1 500 余个。

2.1.2 生产布局

矿井建成投产时的生产能力为105 万t/a，经改扩建后生产能力提升至220 万t/a。矿井主采煤层为一煤层，采用走向长壁综采放顶煤采煤法，工作面落煤方式为采煤机割煤和架后放顶煤相结合。如图2，井田共划分为八个采区，其中东翼三个采区（东一采区、东二采区、东三采区），中部两个采区（中一采区、中二采区），西翼三个采区（西一采区、西二采区、西三采区）。中部两个采区、东二采区、西一采区已经开采结束，按照“一井两区、一区一面”的生产布局，现矿井进行采掘活动的采区有2 个，即东一采区、西三采区。现采掘现状为：东一采区布置1 个综放工作面，即东101 自动化综放工作面（煤厚约10.5m，属近水平煤层），1 个掘进工作面，即东105-1 运输顺槽综掘工作面；西三采区布置1 个综放工作面，即西304 自动化综放工作面（煤厚约5.4 m，属倾斜煤层），1 个掘进工作面，即西305 切眼，1 个开拓巷道，即西三采区运输巷延伸段开拓。

图2 东三采区区域巷道布置示意图

2.2 东三采区概况

东三采区作为新开拓采区，东三采区倾斜宽度368 m，根据煤层赋存、地质构造情况以及综放开采工艺的要求，工作面沿石门及上山单翼布置，划分区段时基本与DF41 断层及花尖子向斜走向平行，沿煤层等高线进行划分，区段间净煤柱按10 m 窄小煤柱考虑。由于中部有刀楞山断层影响，只能划分成2 个区段。设计工作面倾斜长度平均为150 m，走向长度分别为920 m 和750 m。

根据采区开拓方案，先利用现有运输斜巷，坡度12°，长度150 m，再按坡度16°，长度85 m 延深运输斜巷，到1135 水平后接运输石门，长度136 m，净断面16.75 m2，石门布置在煤层底板岩石中，上山沿煤层底板稳定岩石布置，距煤层约25 m，长度350 m，铺设轨道和胶带输送机。利用原东一采区回风上山作为东三采区的回风上山。利用从1180 东运输大巷边界上山口处向东约25 m 开口平行1180 进风石门布置的东101 运输斜巷继续向下延深，作为东三采区的运输及总进风巷，开口时以+4‰的坡度掘进105 m上部车场，现已经以-12°坡度掘进150 m 到东一采区101 工作面位置，本次设计继续以-16°坡度向下延深85 m 进入煤层底板岩石，到1135 水平时落平，然后以+4‰的坡度继续前掘136 m 石门，然后在距煤层底板20 m 位置布置东三采区运输上山，利用原边界上山作为回风上山。东三采区的区域巷道布置图，如图3 所示。

图3 东一和东三采区区域巷道布置示意图

东三采区现布置工作面位置煤层平均厚度为9 m。煤层倾角为3°～20°，平均14°，西部倾角略大，中部及东部平缓。煤层结构较单一，一般含夹矸1～4 层或呈单一结构，夹矸厚度小于1 m。煤层顶板岩性为炭质泥岩、砂质泥岩，易破碎冒落。煤层底板以粗砂岩及细砂岩为主，采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤，采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤法。

3 瓦斯压力临界值考察方法

《防治煤与瓦斯突出细则》中规定区域预测指标主要有瓦斯含量和瓦斯压力，而瓦斯含量和瓦斯压力临界值的确定对局部敏感指标临界值确定也有着很重要的意义。区域预测指标中瓦斯压力指标临界值的确定方法主要有经验公式、规定临界值、现场突出动力现象等，而对于瓦斯含量临界值则可以通过确定后的最小突出压力利用间接法计算得到。

自20 世纪70 年代，国内外很多学者对煤层发生突出的最小瓦斯压力进行了研究。突出最小瓦斯压力多是在现场实测数据的基础上利用统计学手段获得的。通过研究发现，煤与瓦斯突出的发生不仅与瓦斯压力的大小有关，而且还与煤本身的特性相关，如煤的坚固性系数、煤的挥发分等。在近代很多先进的方法均运用于煤与瓦斯突出的预测中，然而根据统计学得到的经验公式法，由于其简便性一直较好的被用于突出最小瓦斯压力的确定中，在我国较为经典的经验公式主要有以下几种。

3.1 现场实测

3.1.1 钻孔布置

根据《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》（AQ/T1047-2007）的标准要求，钻孔测压地点选择时应避开构造和采动影响区域。而大水头煤矿本次预测区域为东三采区，由于东三采区内暂无巷道，因此本次对该区域的测压钻孔及煤层瓦斯含量测定的取样钻孔主要布置东101 运输巷及东翼运输上山。

测试点在不同区域内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置，在东101 运输巷布置3 个瓦斯压力测点，在东翼运输上山布置1 个瓦斯压力测点，钻孔布置参数，如表2 所示；钻孔布置的剖面图，如图4 所示。

表2 东三采区瓦斯压力测定地点布置情况表

图4 钻孔剖面图

3.1.2 钻孔封孔

采用“两堵一注”封孔，封孔长度视煤层底板岩性及钻孔长度而定。钻孔成孔以后，需要用压风将孔内积水排放干净。然后把囊袋通过胶带固定在四分测压镀锌管上，一同插入到设定的封孔深度，待后端囊袋插入到钻孔中后，把注浆泵和注浆管连接起来，通过注浆管向囊袋及钻孔中注入水泥浆，待两端囊袋注满到一定程度，注浆管中间的爆破阀会爆，然后水泥浆会注入到两端囊袋中间的钻孔中，注浆直到注浆泵上压力表达到一定值后，注浆完成，停止注浆。

3.1.3 测压结果

钻孔封孔后，经过24 h 水泥浆固化达到一定强度，在测压管端头装上压力表，并检验接头等处是否漏气，如果发现漏气需重新上表，若不漏气准确记录读数值。根据《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》（AQ/T 1047—2007）规定，需定期观测压力值，当瓦斯压力在3 d 内不变化或者变化小于0.015 MPa，测压工作结束。东三采区瓦斯压力测定结果，如表3所示。

表3 东三采区瓦斯压力测定结果

3.2 临界值确定

通过理论分析与现场实测相结合，得出一煤层瓦斯压力在各自临界值条件下的对应关系，如表4 所示。

表4 大水头煤矿一煤层瓦斯压力各条件下临界值

统计分析了本次实测的瓦斯压力数据，一煤层最大煤层瓦斯压力为0.50 MPa，不大于0.74 MPa。从煤矿安全生产考虑，按照《防治煤与瓦斯突出细则》将0.74 MPa 作为一煤层区域预测或者区域效果检验瓦斯压力的临界值是可行的，即一煤层瓦斯压力临界值为0.74 MPa。

4 总结

1）区域预测指标是评判煤层是否具有突出危险性的主要依据，煤层瓦斯压力作为主要指标，其临界值的确定对于矿井进行有针对性的突出危险性防治具有重大的现实意义。

2）通过在大水头煤矿不同区域布置不同埋深的测压钻孔，对煤层的瓦斯压力指标进行了实测，得到大水头煤矿一煤层区域突出危险性预测、区域防突措施效果检验相对瓦斯压力临界值为0.74 MPa。