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煤与瓦斯突出是煤矿生产和建设中一种极其复杂的动力现象,是威胁煤矿安全生产的严重自然灾害之一。大平煤矿是郑煤集团公司骨干生产矿井,随着矿井开采深度的增加,矿井瓦斯涌出量急剧增大,煤与瓦斯突出灾害日趋严重。自1989年11月以来共发生16次煤与瓦斯突出或动力现象,特别是2004年10月20日21岩石下山掘进工作面发生特大型煤与瓦斯突出事故,突出煤岩量为1894t,瓦斯量约为25万m3,造成大量人员死亡和巨大经济损失。严重的煤与瓦斯突出灾害,不但严重影响矿井的安全生产,而且使矿井经济效益严重下滑,采掘工作面进度缓慢,造成矿井产量下降、采掘失调、接替紧张。
矿井主采山西组二1煤层,煤层顶、底板为泥岩、炭质泥岩和砂质泥岩,遇水膨胀。煤层硬度系数普遍小于0.2,煤层赋存极不稳定,厚度变化大,属于典型豫西“三软”不稳定煤层。根据煤层赋存条件,工作面回采工艺非常适合放顶煤开采,放顶煤开采具有掘进率低、生产成本低、回采产量高、回采率高、自然发火危害小等诸多有点,目前得到了广泛采用,同时本矿井采用放顶煤采煤法已掌握了成熟的技术,积累了成功的经验。2005年,本矿定为煤与瓦斯突出矿井后,二1煤层就成了煤与瓦斯突出危险煤层,在突出煤层中的突山危险区和突山威胁区采用放顶煤开采是《煤矿安全规程》的严格禁止的。因此,在工作面回采之前区域性消除煤层突出危险性并进行效果检验是非常必要的,也是本矿井急需解决的关键问题。
本文在收集、总结矿井瓦斯赋存、涌出规律和煤与瓦斯突出特征的基础上,分析了煤层始突标高及该处瓦斯含量和瓦斯压力等参数的数值,对比《防治煤与瓦斯突出细则》和《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ1026-2006)推荐数值,确定了本矿井评价区域突出危险性指标和临界值。从矿井煤系地层赋存和开采技术条件,论证了矿井不具备采用开采保护层进行区域性消除突出危险性的条件;从二1煤层透气性系数和钻孔流量衰减系数论证了采用预抽煤层瓦斯以区域性消突的可行性。
通过顺层钻孔和穿层钻孔的对比分析,选定采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯的消突方案。选择在突出危险区域的16071工作面进行课题试验,通过分析煤层条件确定了密集钻孔强化抽放措施,设计了抽放钻孔的布置方式、抽放设备及管路的参数,确定了钻孔施工、瓦斯计量和数据采集方法。通过17个月的抽放,对16071工作面沿走向分四段进行抽放数据统计、计算和分析,依据钻孔布置均匀度、吨煤钻孔量、瓦斯抽放率、煤层残余瓦斯含量、煤层残余瓦斯压力等多参数对抽放效果和工作面突出危险性进行评价,证明了采取该措施已经成功地区域性消除工作面突出危险性,具备了放项煤开采的条件,可以采用放顶煤采煤法试采。
经过12个月的实际回采验证,16071工作面绝对瓦斯涌出量、相对瓦斯涌山量和回风流瓦斯浓度都很小,说明工作面煤体预抽瓦斯量较大,导致煤层残余瓦斯含量比较小,说明顺层钻孔抽放取得了明显的效果。同时,回采过程中未出现过煤与瓦斯突出事故,也未发生过煤与瓦斯突出的动力现象,工作面在回采中预测的各项指标均也小于临界指标。证明采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯措施区域性消除工作面突出危险性取得了成功,彻底改善了工作面的安全生产环境,解放了生产力,取得了巨大的经济效益和社会效益。
在此试验的基础上,研究了“三软”不稳定特厚突山煤层顺层钻孔瓦斯抽放技术、区域性消除突出危险性的工艺参数优化和系统集成,建立了“煤层顺层钻孔区域性消除突出危性技术规范”,也为其他矿井利用该技术区域性消除工作面突出危险性提供了很好的借鉴。