巷道揭煤煤与瓦斯突出预测及防突技术研究

张小宇

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

高瓦斯矿井最常见的矿山地质灾害是煤与瓦斯突出[1]。小庄煤矿为高瓦斯矿井，40302运输巷在掘进过程岩巷段逐渐揭露煤层，由于煤层中天然瓦斯含量较大，一旦岩巷突然揭煤，岩层性质改变后产生的应力释放，将引起大量煤与瓦斯朝揭露处迅速喷涌，进而造成巷道堵塞、人员窒息和瓦斯爆炸，严重威胁煤矿的安全生产[2-3]。故研究巷道岩巷段揭煤过程中的煤与瓦斯突出预测及防突技术迫在眉睫。

1 工程背景

1.1 工程概况

40302运输巷道位于40302工作面，工作面主采4号煤，煤层埋深约为770～790 m，煤层厚约为17～35 m。巷道长为2 200.6 m，沿煤层中部掘进，由于煤层起伏变化较大，部分巷道为岩巷或半煤岩巷。岩巷断面为直墙半圆拱型，净宽为5 500 mm，净高为3 950 mm；煤巷断面为矩形，净宽为5 500 mm，净高为3 500 mm。煤层较软弱（普氏系数为3.0）。煤层节理较发育，原始瓦斯含量为3.83～4 m3/t。

1.2 工程问题

由工程概况可知，煤层原始瓦斯含量高于3 m3/t，不符合《煤矿安全规程》对掘进瓦斯含量要求。由于煤层赋存条件，巷道前半段为岩巷，一旦突然揭煤。瓦斯将汇聚于揭煤处，易产生煤与瓦斯突出问题。40302运输巷掘进至揭煤段，提前预支煤与瓦斯突出危险区域，采取安全防突措施，是目前矿方亟待解决的问题。

2 巷道揭煤煤与瓦斯突出原因

煤与瓦斯突出时，较高的瓦斯压力能将破碎煤体挤压出孔壁，进而煤体破碎区域进一步向内延伸，形成恶性循环。因此40302运输巷巷道揭露煤层时，易产生煤与瓦斯突出主要有以下三方面原因：

1）应力梯度和瓦斯压力梯度较高。40302运输巷岩层致密，导致其硬度高，瓦斯渗透性较差。而煤层由于其疏松多孔，节理发育，导致煤层硬度低易破碎，瓦斯渗透性较好。因此，巷道揭露煤层时，揭露区域的应力差异和瓦斯压力差异较明显。过高的应力梯度和瓦斯压力梯度会导致煤层的应力释放和瓦斯大量涌出。

2）瓦斯补给充足。图1为瓦斯的流动示意图，图1-1代表煤巷、采煤工作面或岩巷瓦斯的流动通道，为线流动；图1-2为巷道刚揭露煤层的球流动通道。线流动的瓦斯补给方式为单一通道补给，球流动的瓦斯补给方式为多源补给。因此，充足的瓦斯补给增加了揭煤区域煤与瓦斯突出的可能性。

图1 瓦斯流动示意图

3）岩巷和煤巷断面差异较大。由工程概况可知，40302运输巷岩巷的断面积远高于煤巷断面积，一旦瓦斯大量涌出，较大断面积的岩巷将为瓦斯提供快速扩散通道，加快煤与瓦斯的突出。其次，岩巷和煤巷的断面积差异较大，容易在揭煤处产生应力集中，导致揭煤区域煤层的破碎，进而导致煤与瓦斯的突出。

综上所述，巷道揭煤区域易产生煤与瓦斯突出是由于岩巷和煤巷的断面差异，产生应力集中，导致揭煤处煤层破碎，为较大断面积的岩巷为煤与瓦斯的突出提供快速通道。且由于岩层和煤层性质的差异，较高的应力梯度和瓦斯压力梯度使瓦斯采取球流动的形式快速涌出。

3 巷道揭煤防突方案

针对40302工作面巷道揭煤煤与瓦斯突出原因，应从两方面入手，提出防突方案。一方面应先确定巷道揭煤区域是否存在煤与瓦斯突出风险。另一方面对存在煤与瓦斯突出风险的巷道揭煤区域，采取一定的解危预处理措施。即先预测巷道揭煤区域的煤与瓦斯的突出危险性，再对危险区域采取处理措施。

3.1 突出危险预测

3.1.1 预测方法及原理

预测巷道揭煤区域是否存在突出危险性，一般多采用钻屑瓦斯解吸指标法（MT/T 641-1996）。其内涵是通过测量掘进头前方钻孔钻屑的三项指标来判断前方掘进区域的突出危险程度。两项指标分别为钻屑的质量和钻屑中的瓦斯解吸曲线斜率。

3.1.2 具体施工方案

3.1.2.1 钻孔布置方案

巷道岩巷段揭煤区域钻屑法钻孔布置如图2所示，向40302运输巷掘进头前方共施工3个钻孔（Φ42 mm×10 000 mm）。钻孔1位于岩巷断面中线的顶部，距顶部250 mm，钻孔打设角度与巷道断面垂直。钻孔2和钻孔3分别位于距离巷帮两侧350 mm处，对称布置。2钻孔为俯孔，3钻孔为仰孔，打设角度均与巷道轴向呈23.6°。

图2 岩巷段揭煤区域钻屑法钻孔布置图

3.1.2.2 钻屑法测量流程

钻屑指标测量的频率为钻孔每1 m测定1次钻屑质量和瓦斯解吸曲线斜率。

具体步骤：第一步，采用塑料桶收集每钻进1 m排出的钻屑，测量并记录其质量（单位为kg），记录采集时间（开始钻孔至取出目标段钻屑）。第二步，随后将测重后的钻屑迅速置于MD-2型瓦斯解析仪密闭容器中，在等容或等容变压条件下，记录钻屑1 min内释放的瓦斯总量。第三步，建立单位（1 g）钻屑的瓦斯解析量和时间的关系曲线图，通过曲线图的斜率可以得到钻屑某时刻的瓦斯解析曲线斜率（单位为mL/（g·min1/2））。

3.1.3 突出危险性判定

若通过上述步骤测得的S值≤6 kg/m，且K1≤0.5 mL/（g·min1/2），则说明探测段无突出危险性或已解除突出危险性；若存在S值＞6kg/m，或K1＞0.5mL/（g·min1/2），则说明探测段存在突出危险性。

3.2 钻孔抽放瓦斯

根据预测结果，在具有煤与瓦斯突出风险的巷道揭煤区域，采取预抽煤层瓦斯的方法进行治理。根据掘进断面，合理布设抽放钻孔抽放瓦斯。采用钻屑瓦斯解吸法对前方巷道揭煤区域的瓦斯突出指标再次检验，如无突出风险，则可继续掘进。若仍未解除风险，应增加抽放钻孔数量和抽放范围，直至突出危险解除。

3.3 应用效果

在巷道掘进过程中，瓦斯监测探头安设在距离工作面回风口10～15 m的巷道内，实时监测瓦斯浓度。瓦斯绝对涌出量与瓦斯浓度和回风量存在关系式（1）。

式中：Qj为瓦斯绝对涌出量，m3/min；Q为回风量，m3/min；C为风流中的平均瓦斯浓度，%。

根据瓦斯监测结果显示：巷道在岩层中掘进时，瓦斯绝对涌出量在0.7 m3/min左右。掘进至揭煤区域时，由于前方存在突出危险性，采取钻孔抽放瓦斯解除前方危险。继续掘进直至揭煤，揭煤瞬间瓦斯绝对涌出量增加至2.5 m3/min左右。随后煤巷掘进过程中，瓦斯含量保持在1.5 m3/min，低于规程要求的3 m3/min，说明该预测和治理方案有效保证了巷道岩巷段揭露煤层时的安全。

4 结论

1）较高的应力梯度和瓦斯压力梯度、多源的瓦斯补给通道和岩巷与煤巷断面差，导致了巷道岩巷段揭煤区域易产生煤与瓦斯突出；

2）采用钻屑瓦斯解吸指标法和预抽煤层瓦斯的方法可有效预测和避免巷道岩巷段揭煤区域的煤与瓦斯突出；

3）应用防治方案后，巷道岩巷段揭煤瞬间瓦斯绝对涌出量为2.5 m3/min，有效保障了巷道揭煤的安全。