第 19 卷 第 5 期 ( 总第 120 期) 2014 年 10 月 煤 矿 开 采 Vol. 19No. 5 ( Series No. 120) COAL MINING TECHNOLOGY October 2014 近距离、大埋深、高压力煤层群揭煤 瓦斯防治技术的探索与实践 ( 平顶山天安煤业股份有限公司 平煤股份一矿，河南 平顶山 467011) 韩春晓 ［摘 要］ 通过对平煤股份一矿三水平戊一下延主运输巷流水通道揭近距离、大埋深、高压力 煤层群施工期间瓦斯防治技术的研究，在打钻不能覆盖所有揭煤区域的情况下，设计施工了揭煤巷对 揭煤区域进行有效消突，杜绝了揭煤期间瓦斯涌出异常造成事故，实现了近距离、大埋深、高压力煤 层群工作面的揭煤安全，为类似条件下巷道掘进期间瓦斯治理提供了参考。 ［关键词］ 近距离; 大埋深; 高压力; 煤层群; 揭煤; 瓦斯防治 ［中图分类号］ TD713. 6 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1006-6225 (2014) 05-0089-04 Practice of Methane Prevention Technology in Uncovering Deep Closed Coal-seams with High-pressure 1 工程概况 10 平煤股份一 矿 位 于 平 顶 山 市 北 部 3km，2002 年矿井曾发生过煤与瓦斯动力现象，2005 年煤与 瓦斯突出鉴定结论为煤与瓦斯突出矿井，2013 年 瓦斯鉴定结果为: 矿井绝对瓦斯涌出量 45. 22m3 / min，相对瓦斯涌出量 5. 88m3 / t。一矿三水平戊一 下延主运输巷设计全长 2242m，掘进方向煤层倾角 为 20°下山，巷道沿戊 煤层底 板 下 部 岩 层 施 工， 方位角 17°，施工坡度为 19° 下山，进入流水通道 巷道 ( 以下简称流水通道) 后按平坡施工。该巷 道对应直接顶、底板以泥岩为主，工作面施工过程 中无大的地质构造，断层以小落差高角度正断层为 主，掘进过程中 ，绝对瓦斯涌出量 1. 55m3 / min。 根据地质钻孔资料，三水平戊一下延主运输巷在流 水通道施工中将揭戊组煤层群，揭煤位置地面对应 标高 + 141. 3m，戊 煤层底板标高 － 801. 3m，煤层 煤 层 厚 度 4. 1m，中 间 有 1. 5m 埋深 942. 6m。戊 的夹矸，底板为厚约 6. 5m 泥岩，顶板为厚 2. 0m 的泥岩，泥岩之上为 1. 3m 厚的戊 煤层 顶板为 3. 1m 的泥岩，泥岩之上为厚约 2. 8m 的戊 煤层，戊 煤层顶板为厚约 8. 3 m 的中粒砂岩。图 1 为三水平戊一下延主运输巷及流水通道钻孔综合柱 状图。 煤层，戊 10 10 9 8 9 8 施工过程中，首先对三水平戊一下延主运输巷 揭煤点附近的戊 8 、戊 9 、戊 10 煤层瓦斯压力及瓦斯 平戊一下延主运输巷及流水通道钻孔综合柱状 8 9 8 10 煤 1. 25MPa， 戊 煤 10. 67m3 / t，戊 含量进行了实测，实测最大瓦斯含量值为: 戊 煤 8. 98m3 / t，戊 煤 6. 5m3 / t; 实 测最 大 瓦 斯 压 力 值 为: 戊 煤 1. 78MPa，戊 煤 2. 72MPa。 煤 尘 爆 炸 指 数 为 32. 17% ～ 37% ，煤尘具有爆炸危险性，煤层自然 发火期 3 ～ 6 个月，煤层为自燃煤层。根据实测结 果，三水平戊一下延主运输巷流水通道对应上方戊 组煤层群有突出危险性，在接近戊组煤层或揭穿戊 组煤层施工均有突出危险。 10 9 三水平戊一下延主运输巷及流水通道平面布置 图见图 2，三水平戊一下延主运输巷及流水通道 B － C 段的揭煤剖面图如图 3，三水平戊一下延流水 通道 C － D 段的揭煤剖面图见图 4。 ［收稿日期］ 2014 － 01 － 13 ［作者简介］ 韩春晓 (1970 － ) ，男，河南镇平人，高级工程师，现任平煤股份一矿总工程师，从事技术管理工作。 ［引用格式］ 韩春晓 . 近距离、大埋深、高压力煤层群揭煤瓦斯防治技术的探索与实践 ［J］ . 煤矿开采，2014，19 (5) : 89 － 92. ［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11 － 3677 / td. 2014. 05. 025 98 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 120 期 煤 矿 开 采 2014 年第 5 期 图 2 主运输巷及流水通道平面布置 图 3 主运输巷及流水通道 B － C 段的揭煤剖面 图 4 流水通道 C － D 段的揭煤剖面 2 瓦斯防治技术方案的确定及实施 2. 1 瓦斯防治技术方案 瓦斯防治技术基本原理即在流水通道揭煤前分 别在主运输巷和揭煤巷迎头范围内施工一定数量的 预抽煤层瓦斯钻孔、超前瓦斯排放钻孔，通过预抽 和泄放，使巷道前方煤层瓦斯压力得到一定程度的 释放，这样，一方面降低了巷道前方煤体的瓦斯含 量、瓦斯压力，减小了落煤的瓦斯涌出量，降低了 发生突出的危险性，另一方面通过钻取煤屑和抽放 瓦斯，使巷道前方煤体发生变形，能够增加煤层透 气性，降低瓦斯涌出初速度，从而减少新暴露煤壁 的瓦斯涌出量，起到防止瓦斯超限和突出的作用。 实施瓦斯防治技术时，按照 《防治煤与瓦斯 突出规定》 的有关要求，先在主运输巷迎头施工 流水通道 B － C 段的瓦斯钻孔，也就是说，主运输 巷承担流水通道 B － C 段的瓦斯钻孔施工任务; 同 时考虑巷道拐流水通道后再次变向，在主运输巷打 瓦斯钻孔很难控制煤层群的所有揭煤块段，因此设 计施工了揭煤巷，主要承担流水通道 C － D 段的瓦 斯钻孔施工任务。 09 2. 2 预抽煤层瓦斯钻孔布置方式 根据三水平戊一下延主运输巷下部煤层瓦斯压 力、瓦斯含量等突出参数的测定结果，分析三水平 戊一下延主运输巷流水通道施工段瓦斯压力、含量 均超标，施工过程中有可能造成瓦斯超限或突出。 根据煤层赋存条件、钻孔综合柱状图，以及瓦斯抽 放钻孔等资料分析制定三水平戊一下延主运输巷流 水通道揭煤段预抽煤层瓦斯钻孔施工参数。在三水 平戊一下延主运输巷 1314m 处和主运输巷、揭煤 巷工作面迎头分别施工穿层预抽煤层瓦斯钻孔。在 三水平戊一下延主运输巷工作面施工 9 排共计 115 个钻孔，控制长度 36. 3m; 在揭煤巷工作面施工 9 排共计 126 个钻孔，控制长度 53. 9m，终孔控制到 煤层顶板下至巷道底板以下 5m，巷道两侧终孔控 制到巷道轮廓线外 15m，同时保证控制轮廓线外边 缘到巷道轮廓线最小距离不小于 5m。穿层预抽煤 层瓦斯钻孔施工完毕后及时联网预抽。预抽率达到 45% 后进行区域防突措施的效果检验，效果检验指 标不超方可进行施工，施工至距煤层法距 5m 时， 用复合指标法和 Δh2 指标进行区域验证。验证指 标不超后方可进行施工，施工至距煤层法距 1. 5m 时，用复合指标法和 Δh2 指标再次进行区域验证， 验证指标不超后方可进行揭煤施工。 三水平戊一下延主运输巷流水通道 B － C 段、C － D 段预抽煤层瓦斯钻孔平面布置见图 5，三水平戊 一下延主运输巷流水通道 B － C 段预抽煤层瓦斯钻 孔剖面布置见图 6，三水平戊一下延主运输巷流水 通道 C － D 段预抽煤层瓦斯钻孔剖面布置见图 7。 图 5 主运输巷流水通道 B － C 段、 C － D 段预抽煤层瓦斯钻孔平面布置 图 6 主运输巷流水通道 B － C 段 预抽煤层瓦斯钻孔剖面 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

韩春晓: 近距离、大埋深、高压力煤层群揭煤瓦斯防治技术的探索与实践 2014 年第 5 期 图 7 主运输巷流水通道 C － D 段 预抽煤层瓦斯钻孔剖面 2. 3 超前瓦斯排放钻孔布置方式 根据三水平戊一下延主运输巷瓦斯地质钻孔资 料和施工的主运输巷流水通道揭煤段预抽煤层瓦斯 钻孔情况，分析制定了三水平戊一下延主运输巷流 水通道揭煤段超前瓦斯排放钻孔施工参数。主运输 巷流水通道施工至距煤层法距 1. 5m 时，用复合指 标法和△h2 指标再次进行区域验证。验证指标不 超后方可进行揭煤施工。为保证在揭煤期间不发生 瓦斯高值、超限甚至突出事故，在主运输巷流水通 道揭煤前和过煤期间施工超前瓦斯排放钻孔，钻孔 深度 13. 5m，允许进尺 3. 5m，确保工作面的安全 生产。 8 流水通道揭过戊 煤期间的瓦斯排放钻孔平面 布置见图 8。流水通道宽为 5m，瓦斯排放钻孔终 孔位置控制在距流水通道轮廓线外 8m，钻孔终孔 间距为 1. 6m，瓦斯排放钻孔在水平方向的投影为 13. 5m，瓦斯排放钻孔起始点延长后的交点距工作 面退后 2m 的流水通道中心位置上。 作面施工预抽煤层瓦斯钻孔前后瓦斯含量的测定: 首先在未施工预抽煤层瓦斯钻孔前通过工作面瓦斯 地质钻孔进行测定，然后施工预抽煤层瓦斯钻孔， 在预抽煤层瓦斯预抽率达到 45% 后，通过区域防 突措施效果检验钻孔进行瓦斯含量的测定。预抽煤 层瓦斯 钻 孔 前 后 煤 层 瓦 斯 含量 的 测 定 主 要 通 过 DGC 进行测定，DGC 分为实验室部分和井下测试 两部分仪器，测定的瓦斯含量包括钻孔损失量、井 下解析量、地面解析量、粉碎解析量和常温常压下 不可解析量 5 部分。采用井下瓦斯解析仪测定的井 下解析数据推算煤样在钻孔中的解析规律来推算钻 孔损失量，其余的地面解析量、粉碎解析量和常温 常压下不可解析量在试验中测定。根据测定结果推 算出煤层瓦斯含量。工作面施工预抽煤层瓦斯钻孔 和超前瓦斯排放孔前后工作面瓦斯参数对比见表 1、表 2。 表 1 施工预抽煤层瓦斯钻孔前后瓦斯含量参数对比 瓦斯含量 降低率 / % 最大瓦斯含量 / ( m3 ·t － 1 ) 施工后 施工前 煤层 戊 戊 8 9 煤层 煤层 戊 10 煤层 8. 98 10. 67 6. 50 4. 65 7. 39 5. 08 48. 2 30. 7 21. 8 表 2 施工超前瓦斯排放钻孔前后瓦斯含量参数对比 瓦斯含量 降低率 / % 最大瓦斯含量 / ( m3 ·t － 1 ) 施工后 施工前 煤层 戊 戊 戊 8 9 煤层 煤层 煤层 10 4. 65 7. 39 5. 08 3. 06 3. 67 2. 92 34. 2 50. 3 42. 5 2. 4. 2 瓦斯压力的对比 煤层瓦斯压力是煤层空隙内气体分子自由热运 动撞击产生的作用力，它反映了煤层瓦斯含量的多 少，决定了瓦斯流动动力高低以及瓦斯流动现象的 潜能大小，是研究与评价瓦斯储量、瓦斯涌出、瓦斯 流动、瓦斯抽放与瓦斯突出问题的重要参数。煤层 瓦斯压力直接通过井下测压钻孔进行测定。工作面 施工预抽煤层瓦斯钻孔前后瓦斯压力对比见表 3。 表 3 施工预抽煤层瓦斯钻孔前后瓦斯含量参数对比 图 8 流水通道揭过戊 8 煤期间的瓦斯排放钻孔平面布置 煤层 戊 戊 8 9 煤层 煤层 戊 10 煤层 施工前 1. 25 1. 78 2. 72 最大瓦斯压力 / MPa 施工后 10 戊 9 、戊 MPa; 戊 瓦斯压力 0. 4MPa 8 、戊 煤 层 最 大 瓦 斯 压 力 0. 5 煤 层 综 合 最 大 9 、戊 10 2. 4. 3 瓦斯涌出量的对比 2. 4 抽放瓦斯前后工作面瓦斯参数对比 2. 4. 1 瓦斯含量的对比 煤层瓦斯含量是计算煤层瓦斯储量与瓦斯涌出 量的基础，也是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参 数之一，所以准确测定煤层瓦斯含量非常重要。工 煤层瓦斯涌出量是煤层瓦斯流动和涌出的最直 接体现，因此，准确测定施工超前排放钻孔前后瓦 斯涌出量具有重要意义。煤层瓦斯涌出量直接通过 瓦斯传感器、光感瓦斯测定仪进行测定。工作面施 工超前抽放钻孔前后瓦斯涌出量的对比见表 4。 19 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

总第 120 期 煤 矿 开 采 2014 年第 5 期 表 4 施工超前排放钻孔前后瓦斯涌出量参数对比 风排瓦斯浓度 / % 施工前 瓦斯涌出量 / ( m3 ·min － 1 ) 风量 / 施工前 施工后 施工后 ( m3 ·min － 1 ) 0. 31 0. 16 500 1. 55 0. 8 2. 4. 4 瓦斯涌出初速度 q、钻屑量 S、Δh2 值的对比 工作面施工超前排放钻孔前后瓦斯涌出初速度 值测定方法，就是采用复 q 值、钻屑量 S 值、Δh2 合指标法进行工作面突出危险性预测的方法，在工 作面布置 3 个投影孔深 8m、42mm 的预测钻孔， 在预测钻孔施工中，钻孔每钻进 1m 测定该 1m 段 的全部钻屑量 S，每次钻屑收集结束，立即拔出钻 孔，用专用封孔器封孔，封孔后测量室长为 1. 0m; 并在暂停钻进后 2min 内测定钻孔瓦斯涌出初速度 q 值，分别选取 3 个孔中 q 值和 S 值的最大值。施 工超前排放钻孔前后瓦斯涌出初速度 q 值、钻屑量 S、Δh2 值对比见表 5。 表 5 施工超前排放钻孔前后瓦斯 涌出初速度 q 值、钻屑量 S、Δh2 值对比 q / ( L·min － 1 ) 施工前 施工后 S / ( kg·m － 1 ) 施工前 施工后 Δh2 / Pa 施工前 施工后 3. 5 0. 6 4. 8 2. 0 70 40 2. 4. 5 实施效果 效控制，效果明显。 3 结论 (1) 三水平戊一下延主运输巷流水通道施工 预抽煤层瓦斯钻孔、超前瓦斯排放钻孔后，增大了 工作面前方煤层透气性，通过煤层瓦斯预抽和有效 释放，降低了煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力，瓦斯 涌出量得到有效地控制。 (2) 通过揭煤巷科学解决了在三水平戊一下 延主运输巷打瓦斯预抽钻孔很难控制煤层群的所有 揭煤块段无法消突的难题。 (3) 通过措施的实施，消除了发生煤与瓦斯 突出的危险性，实现了揭近距离、大埋深、高压力 煤层群的施工安全，保证了矿井的安全生产。 ［参考文献］ ［1］ 何国益 . 采矿工程设计规范化 ［M］ . 徐州: 中国矿业大学出 版社，2013. ［2］ 李国君 . 铁法矿区高瓦斯低透性自然复合煤层群瓦斯抽采与 煤层气开发技术研究应用 ［M］ . 徐州: 中国矿业大学出版 社，2013. ［3］ 张铁岗 . 矿井瓦斯综合治理技术 ［M］ . 北京: 煤炭工业出版 社，2001. ［4］ 张建国 . 中 国 平 煤 神 马 集 团 煤 矿 瓦 斯 防 治 “十 二 五” 规 划 从统计参数分析，三水平戊一下延主运输巷流 水通道施工预抽煤层瓦斯钻孔、超前瓦斯排放钻孔 后，瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量、瓦斯涌出 初速度 q 值、 钻 屑 量 S 值、 钻 屑 瓦 斯 解 析 指 标 ，发生了较大的变化，各项防突指标得到了有 Δh2 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ( 上接 22 页) ［6］ 张 建 . 采动影响煤层水力冲孔卸压增速技术研究 ［D］ . 淮 ］ ［责任编辑: 施红霞 ［5］ 张世豪 . 高瓦斯矿井煤层巷道快速掘进方法 ［J］ . 中国煤炭 展 ［J］ . 钻井液与完井液，2004，21 (2) : 1 － 10. ［M］ . 徐州: 中国矿业大学出版社，2012. 工业，2012 (12) : 42 － 43. 南: 安徽理工大学，2012. (3) 使用聚合物无固相泥浆，配合冲击回转 钻进，可大幅度提高液动冲击器的使用寿命。 ［参考文献］ ［1］ Miller J. ，Biodegradable Surfaetants Aid the Development of Envi- ronmentally Acceptable Drilling － Fluid Additives ［C］ . SPE Inter- national Symposium on Oilfield Chemistry. Houston，TX ( US ) ， 2007. ［2］ A. Husen， A. Ali， W. W. Frenier. Chelating Agent Based Fluids for Optimal Stimulation of High Temperature Wells ［C］ . SPE An- nual Technical Conference and Exhibition. San Antonio， Texas， 2002. ［3］ 李 丽，刘 伟 . 聚 硅 醇 钻 井 液 在 川 东 北 复 杂 深 井 中 应 用 ［J］ . 石油钻探技术，2007，35 (7) : 46 － 48. ［6］ 王 禹，杨春柳，吕小燕 . PVA 无固相冲洗液在吉林珲春松林 矿区复杂 地 层 的 应 用 ［J］ . 探 矿 工 程 ( 岩 土 钻 掘 工 程 ) ， 2007，34 (7) : 14 － 15，17. ［7］ Stephen A，Ｒohleder W，Wayne S，etal. Challenges of drilling an in deepwater － spaprospect ［C］ . IADC / SPE ultra － deep well Drilling Conference. USA: Florida，2008. ［8］ 何远信 . 国内外泥浆材料的现状及发展趋势 ［J］ . 探矿工程， 2001，28 (5) : 47 － 49. ［9］ 裴向军 . PAA 无固相冲洗液在水敏岩层钻进中的应用 ［J］ . 地质找矿论丛，2001，16 (2) : 140 － 142. ［10］ 王 胜，陈礼仪，黄 猛，等 . 新型 KL 植物胶无固相环保钻 井液体系 ［J］ . 煤田地质与勘探，2010，38 (3): 76 － 80. ［11］ 陈礼仪，李 浩，袁学武，等 . 低渗透成膜钻探泥浆体系的 研究与应用 ［J］ . 成都理工大学学报 ( 自然科学版) ，2009， 36 (5) : 498 － 503. ［12］ 代国忠，张亚兴，赖文辉，等 . PVM 聚合物型无固相钻井液 ［4］ 张 鹏，郑力会，张立波 . 无固相试井工作液室内研究［J］ . 石 研究与应用 ［J］ . 地质与勘探，2010，46 (6) : 78 － 84. 油地质与工程，2009，23 (1) : 118 － 122. ［5］ 徐同台，赵忠举，袁 春 . 国外钻井液和完井液技术的新进 ［13］ 鄢捷年 . 钻井液工艺学 ［M］ . 东营: 中国石油大学出版社， ［责任编辑: 王兴库］ 2001. 29 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net