厚硬火成岩下冲击地压\瓦斯综合治理技术

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【摘要】 为解决厚硬火成岩变形破断导致的冲击地压和离层空间集中涌出瓦斯的复杂难题,通过微震监测、矿压在线监测、瓦斯抽采自动计量监测和地表沉降观测等实现了对火成岩变形破断的监控监测,通过风巷超前卸压孔、工作面卸压排放孔、工作面顺煤层抽采孔、高位钻场及走向拦截孔、地面瓦斯抽采孔等综合治理技术,解决了厚硬火成岩变形破断导致冲击地压、瓦斯涌出的复杂灾害难题。实现了工作面的安全高效回采。

【关键词】 火成岩冲击地压瓦斯

概况

杨柳煤矿矿井设计生产能力180万吨,矿井属于煤与瓦斯突出矿井,可采煤层为32、82、10三煤层,首采面布置在10煤层中,10煤层为煤与瓦斯突出煤层。首采区104采区上部岩浆岩沿着5煤层、7煤层顶板顺层侵入,煤层被全部吞蚀,形成两层覆盖整个采区的厚硬火成岩岩层（火成岩平均厚度及层位关系如图1）。

10416工作面位于矿井东翼的104采区,上邻矿井首采面10414工作面（已回采）,工作面走向长1050m,倾斜长度171m,煤层倾角3～5°,平均4°,回采标高-582～-603m,煤层厚度2.87---3.68m,平均厚度3.20m。

老顶以细砂岩、粉砂岩为主,厚3.19～9.46m。直接顶为复合顶板,岩性为泥岩、粉砂岩、细砂岩,厚1.79～5.48m。伪顶为粉砂岩。老底：岩性以细砂岩、粉砂岩为主；其次泥岩。直接底：岩性以泥岩为主,厚度为0～2.39m。

工作面回采方式为走向长壁一次采全高,全部垮落法管理顶板。支架型号为ZZ9600/24.5/40,工作面采高3.5m,日产3000t/d。工作面采用U型通风,机巷采用煤锚支护,风巷（与10414采空区相邻）采用U型钢棚支护。

工作面绝对瓦斯涌出量23.38m3/min左右（抽采量占70％）,风量1600m3/min。上隅角瓦斯经常超限制,最大达到3％,工作面回风流瓦斯经常达到0.6～0.8％。

2 开采过程遇到的自然灾害

首采10414工作面（与10416工作面相邻）10414工作面推进220m时异常来压,16架液压支架（型号ZY6800/20/40）掩护梁开焊。10414工作面推进520m时,地面瓦斯抽采孔发生喷孔。喷出瓦斯浓度100％,喷孔持续33小时16分钟。喷孔期间井下（瓦斯钻孔位置）异常出水,最高峰时46m3/h。工作面推进679m,13架支架掩护梁受压开焊。

3 支架压架、瓦斯超限及喷孔原因分析

(1)在工作面开挖200m左右时,下层火成岩开始出现竖向裂隙和横向裂隙；随着工作面开采的推进,火成岩的竖向裂隙与横向裂隙逐渐发育,且出现离层现象；当工作面回采到220m左右时,第一层火成岩受自重影响出现离层破断。工作面出现“一次见方”,火成岩破断瞬间释放能量,致使支架动载骤变,出现支架压架受损。随着工作面继续开挖至520m、679m时,工作面出现火成岩“二次见方”和周期性破断,工作面在矿压方面就出现异常冲击,如图1。

(2)在开采过程中,下层火成岩做为“主关键层”下方形成离层（如图2）,随着回采推进离层空间逐步扩展。8煤层距离主关键层下离层空间较近,受采动其原岩状态改变后,煤层解析的瓦斯大部分流向离层空间。岩层裂隙水受采动影响被释放出来后也有一部分流向了离层空间。赋存于里层空间的瓦斯和水,随着火成岩“二次见方”和周期性破断,沿着瓦斯抽采孔和采空区裂隙被压出,形成地面瓦斯孔喷孔和工作面出水的现象。

4 冲击地压、瓦斯综合治理

4.1 监测监控

(1)钻屑量监测。用煤粉量判别工作面冲击危险性的指标,沿工作面煤壁每10m打一效检孔,钻孔直径φ42mm、深10m,效检指标小于临界值允许推进5m,效检指标超过临界值则安排施工卸压钻孔(如表1)。

(2)微震监测、矿压在线监测、瓦斯抽采自动计量监测和地表沉降观测。通过SOS微震监测系统的微震效应以及波形、频谱等特性分析,总结出火成岩变形破断的前兆信号；通过KJ216矿压在线监测系统实时掌握工作面矿压显现,总结出火成岩破断的周期和步距；通过瓦斯抽采自动计量监测系统对地面瓦斯抽采孔负压、流量、浓度情况进行实时监控,总结出火成岩变形破断期间瓦斯抽采孔参数变化特征；通过地表沉降观测最终检验火成岩破断活动情况。各种监控监测手段相互结合,实现了厚硬火成岩受采动影响变形破断的预警。

4.2 治理手段

(1)风巷超前卸压孔。根据矿压特点,沿采空区侧的风巷上隅角前方为应力峰值区域,该区域是强矿压多发区域,施工卸压钻孔（直径φ69mm、深15m、孔距2m）始终保持超前工作面100m。

(2)工作面卸压排放孔。沿工作面煤壁每2m打一卸压排放口孔,钻孔直径φ69mm、深15m,进行卸压和瓦斯排放。有效防范了因冲击地压导致大范围煤壁片帮,片帮煤释放高浓瓦斯导致瓦斯超限。

(3)工作面顺煤层抽采孔。通过风巷和机巷分别向煤体施工顺煤层抽采钻孔（φ113mm、深100m、间距5m）,机风巷瓦斯预抽钻孔压茬长度为10m。顺煤层抽采孔在保持预抽瓦斯的同时,又起到卸压的效果。

(4)高位钻场及走向拦截孔。在工作面风巷每隔90m左右施工1个高位钻场,高位钻场位于煤层顶板之上。每个高位钻场施工11个高位钻孔（φ91mm）,终孔于10煤层顶板裂隙带内；5个高位拦截孔（φ91mm）,终孔于8煤层底板法距10m处,用于拦截火成岩破断后离层空间涌出的瓦斯。通过井下抽采泵站抽采高位钻孔、拦截孔内瓦斯,减少火成岩离层空间瓦斯向上隅角及工作面涌出,在火成岩变形破断期间能有效拦截涌向工作面的瓦斯。

(5)地面瓦斯抽采孔。在回采工作面地表每隔90m左右施工1个地面抽采孔（终孔直径177.8mm,终孔深度580m左右）,距风巷约70m、距机巷约100m。确保了火成岩下离层区域赋存的瓦斯进入地面抽采系统,减少了离层区域瓦斯受火成岩破断影响涌向工作面,同时也大大降低了工作面回风流及上隅角的瓦斯浓度,有效地保证了正常生产。

5 结语

通过微震监测、矿压在线监测、瓦斯抽采自动计量监测和地表沉降观测等监控监测手段的应用,发现了火成岩受变形破断的周期性特征信号、先兆信号,实现了火成岩变形破断的预警。

通过利用风巷超前卸压孔、工作面卸压排放孔、工作面顺煤层抽采孔,同时有效防止冲击地压、瓦斯突出灾害的发生。

通过高位钻场及走向拦截孔、地面瓦斯抽采孔进行了,火成岩变形破断期间地面瓦斯抽采泵站抽采负压38Kpa,浓度90％以上,抽采纯量在22m3/min以上；井下移动抽采泵站抽采负压40.8Kpa,浓度40％以上,抽采纯量稳定在7m3/min以上；工作面回风流瓦斯浓度能够稳定在0.4％以下,上隅角瓦斯浓度能够稳定在0.6％以下。

工作面采取以上述综合冲击矿压、瓦斯治理技术措施后,创造了良好的安全环境,工作面产量提高至4000t/d。

参考文献:

[1]钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

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