上社煤礦15# 煤層區(qū)域綜合防突措施應(yīng)用研究

張 建 光

（山西潞安集團(tuán)左權(quán)五里堠煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600）

1 工程概況

本次研究的對象為隸屬于陽泉市上社煤炭有限公司的15105 工作面，15105 工作面開采15# 煤層，煤層均厚為5.70m，采用走向長壁后退式開采，工作面長度為210m，推進(jìn)方向長度為1560m，采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。15105 工作面采用“U+U”型通風(fēng)方式，共布置四條回采巷道，分別為15105 進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、底抽巷、高抽巷，其中15105 進(jìn)風(fēng)巷和底抽巷進(jìn)風(fēng)，15105 回風(fēng)巷和高抽巷回風(fēng)。15105 進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷沿15# 煤層頂板掘進(jìn)，15105 底抽巷布置在距離15#煤層底板15～20m 的下方巖層內(nèi)，15105 高抽巷布置在與15# 煤層頂板垂直距離40～45m 的頂板巖層內(nèi)，高抽巷與15105 回風(fēng)巷水平距離為35m。臨近的15103 工作面回采期間絕對瓦斯涌出量達(dá)179.68m3/min， 煤層相對瓦斯涌出量最大達(dá)60.76m3/t，且上社煤礦15 號煤層為突出煤層，礦井為突出礦井，15103 工作面數(shù)次出現(xiàn)鉆孔噴孔的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)。為確保工作面的回采期間的安全，本次研究以15105 工作面為例，對其煤與瓦斯突出防治措施展開研究。

2 預(yù)抽瓦斯區(qū)域防突措施

區(qū)域防突措施通常指采煤工作面回采巷道掘進(jìn)及工作面回采之前，對于存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的較大區(qū)域采取防突措施，區(qū)域防突措施包括開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩種[1～2]，區(qū)域防突措施應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用開采保護(hù)層，上社煤礦標(biāo)高+800m 以下區(qū)域及標(biāo)高+800m 以上煤柱影響區(qū)為突出危險(xiǎn)區(qū)，必須采取區(qū)域防突措施。根據(jù)煤層賦存情況，15# 煤層為突出煤層，15105 工作面標(biāo)高均在+800m 以下，整個(gè)工作面均為突出危險(xiǎn)區(qū)域，其上部對應(yīng)9105 工作面煤層厚度為3.48m，與15105 工作面垂距平均為61.64m，9105 工作面開采時(shí)的有效保護(hù)層距最大為50m，小于兩個(gè)工作面的層間距61.54m，因此，9105 工作面的開采對15105 工作面不能起到有效保護(hù)作用。因此，上社煤礦15105 工作面需采用預(yù)抽煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。

2.1 順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

根據(jù)上社煤礦15105 工作面瓦斯賦存、巷道布置情況，在15105 進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面每隔50m 布置一組平行扇形預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽鉆孔控制煤巷掘進(jìn)工作面前方70m、巷道兩側(cè)輪廓線外至少各15m，設(shè)計(jì)預(yù)抽鉆孔終孔間距為2.0m。預(yù)抽鉆孔施工時(shí)在煤巷掘進(jìn)工作面等間距布置3 排鉆孔，每排布置8 個(gè)鉆孔，距兩幫每排第1 個(gè)鉆孔距煤幫600mm，以后每個(gè)鉆孔間距400mm，頂層鉆孔距頂板間距1600mm；每排鉆孔開孔間距500mm，底層鉆孔距底板間距為900mm；整個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面共布置24 個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑90mm，封孔深度為15m，預(yù)抽時(shí)間不少于15 天。順層鉆孔預(yù)抽措施實(shí)施后，消除掘進(jìn)工作面發(fā)生煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)后，掘進(jìn)工作面可持續(xù)推進(jìn)50m，確保掘進(jìn)工作面前方預(yù)留不小于20m 的安全區(qū)域，再次進(jìn)行順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

2.2 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯

根據(jù)上社煤礦15105 工作面具體的地質(zhì)條件，在距15105 工作面底板15～20m 位置的穩(wěn)定巖層中布置一條底抽巷，底抽巷位于15105 工作面回風(fēng)巷與15107 工作面進(jìn)風(fēng)巷之間。15105 底抽巷在工作面煤巷施工前施工，巷道支護(hù)完成后，在其頂板和兩幫施工穿層鉆孔預(yù)抽上部兩條煤巷條帶煤層瓦斯，鉆孔終孔覆蓋的范圍在煤巷兩側(cè)不小于15m，實(shí)際應(yīng)用為20m，鉆孔終孔處間距為5m，每排18 個(gè)鉆孔，排距為5m，鉆孔的直徑為100mm，封孔深度不小于7.5m，預(yù)抽時(shí)間不少于15 天，穿層鉆孔布置如圖2 所示。

2.3 順層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤層瓦斯

為確保15105 工作面的安全回采，設(shè)計(jì)采用順層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤層瓦斯區(qū)域防突措施。工作面走向長度為210m，在15105 工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷分別布置直徑120mm 的順層鉆孔，鉆孔長度為120m，工作面中部存在30m 的鉆孔交叉區(qū)域，鉆孔距離巷道底板2.0m，水平間距為1.5m，封孔深度15m，預(yù)抽時(shí)間不少于15 天，順層鉆孔布置如圖3 所示。

圖2 穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

圖3 順層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

3 預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)

3.1 瓦斯抽采效果預(yù)評判

15105 工作面煤巷掘進(jìn)和工作面回采前，首先采用上述的區(qū)域防突措施，為確保煤巷掘進(jìn)期間和工作面回采期間的安全，通過理論計(jì)算驗(yàn)證煤層的突出危險(xiǎn)性，根據(jù)上社煤礦15# 煤層的安全生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)煤層殘余瓦斯含量小于8m3/t 或殘余瓦斯壓力小于0.74MPa 時(shí)，即消除了煤層的突出危險(xiǎn)[3]。瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量，通過評價(jià)單元內(nèi)抽排煤層瓦斯量、單元內(nèi)煤炭儲量進(jìn)行計(jì)算。瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量按下式計(jì)算[4]：

式中：WCY為煤的殘余瓦斯含量，m3/t；W0為煤的原始瓦斯含量，m3/t；Q 為評價(jià)單元鉆孔抽排瓦斯總量，m3；G 為評價(jià)單元參與計(jì)算煤炭儲量，t。評價(jià)單元參與計(jì)算煤炭儲量G 按下式計(jì)算：

式中：L 為評價(jià)單元煤層走向長度，為5.0m；L為評價(jià)單元抽采鉆孔控制范圍內(nèi)煤層平均傾向長度，為2.5m；H1、H2為工作面推進(jìn)方向兩側(cè)巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，為11.9m，未掘煤巷時(shí)為0；h1、h2為工作面長度方向兩側(cè)巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，為15m，未掘煤巷時(shí)為0；R 為抽采鉆孔的有效影響半徑，為7.5m；M 為評價(jià)單元平均煤層厚度，5.70m；γ為評價(jià)單元煤的密度，為1.38t/m3。

上社煤業(yè)15105 工作面煤層原始瓦斯含量為60.76m3/t，順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯Q=28.69m3/t，穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯Q=12.14m3/t，順層鉆孔預(yù)抽回采工作面煤層瓦斯Q=30.95m3/t；評價(jià)單元參與計(jì)算煤炭儲量G 均為0.74t。15105 工作面煤巷掘進(jìn)期間煤層內(nèi)殘余瓦斯含量約為5.58m3/t，殘余瓦斯含量小于8m3/t，預(yù)計(jì)15105 回風(fēng)巷和15107 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間無突出危險(xiǎn)；15105工作面回采期間，煤層內(nèi)殘余瓦斯含量為2.53m3/t，殘余瓦斯含量小于8m3/t，預(yù)計(jì)15105 工作面回采期間無突出危險(xiǎn)。

3.2 15105 工作面回采期間應(yīng)用考察

為確保15105 工作面的安全回采，工作面回采期間，工作面煤壁每隔15m 布置一個(gè)預(yù)測鉆孔，鉆孔深度10m 鉆孔直徑42mm，鉆孔距離煤層底板2.5m，效檢指標(biāo)為鉆屑解吸指標(biāo)和瓦斯涌出初速度，鉆屑解吸指數(shù)臨界值為4.5L/min，瓦斯涌出初速度臨界值為35mmH2O，只有工作面所用鉆孔的全部指標(biāo)均低于臨界值時(shí)，方可判斷此循環(huán)預(yù)測結(jié)果為無突出危險(xiǎn)。在15105 工作面回采初期，考察收集了60m 距離的工作面效檢指標(biāo)如圖4 所示，鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)基本維持在16.8～23.5mmH2O 之間，鉆孔瓦斯涌出初速度維持在2.55～3.55L/min 之間，兩個(gè)效檢指標(biāo)值均沒有超過規(guī)定界限，且在生產(chǎn)過程中沒有發(fā)生過動力現(xiàn)象和煤與瓦斯突出預(yù)兆，故由已測定的數(shù)據(jù)來看正在回采中的15105 工作面是安全的。

圖4 15105 工作面回采期間突出危險(xiǎn)性考察

4 結(jié) 論

上社煤礦15# 煤層屬煤與瓦斯突出礦井，工作面煤巷掘進(jìn)及工作面回采期間面臨著煤與瓦斯突出的威脅，為解決該問題，本文以15105 工作面為例，對其區(qū)域綜合防突措施進(jìn)行設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用，并具體分析現(xiàn)場應(yīng)用的效果，最終成功的確保了15105 工作面的安全高效回采，對于類似礦井煤炭資源的安全高效開采具有很大的參考價(jià)值。