钻孔瓦斯喷出事故分析及其预防

    某矿在施工回采巷道轨道顺槽的过程中，发生一起比较严重的钻孔间歇性瓦斯喷出事故（以下简称喷孔），并伴有大量的水、煤泥的喷出，喷出点附近瓦斯达到6%以上。这次喷孔事故，累计喷出瓦斯约1 000 m³，水及煤泥约200 m³，严重影响了安全生产。

 

　　1 地质条件

 

　　该工作面设计为综采工作面，所开采煤层为煤与瓦斯突出煤层，埋深640~670 m，煤层厚度3.7~4.0 m，为稳定厚煤层，f=0.8~1.2，产状200°∠12°~32°，瓦斯含量8 m³/t。煤层直接顶板为泥岩、含炭泥及0.8 m薄煤层组成的复合顶板，厚度4.4 m；老顶为灰白色厚层细砂岩，厚度5.4 m，富水性及导水性弱，水文地质条件简单；煤层底板为泥岩。

 

　　根据高分辨率三维地震勘探成果，该工作面地质构造比较简单，设计工作面避开了2个逆断层F_s1（落差H=0~10 m）和F_s2（落差H=0~5 m），F_s1走向257°，倾角45°，与轨道顺槽斜交，2断层均未曾揭露过，根据井田构造应力状态、断层发育规律以及采掘揭露断层情况，2断层属封闭性逆断层，导水性和富水性较差。见图1。

 

　　

 

　　图1 探断层钻孔施工示意图

 

　　2 巷道施工概况

 

　　轨道顺槽设计长度950 m，沿煤层顶板施工，综合机械化掘进，巷道支护主要采用锚索网支护，巷道宽度4.0 m，巷中高度≥2.6 m（由于煤层倾角变化大，上下帮高度相差大），构造复杂地点（断层、顶板破碎带等处）采用钢性U型棚支护，U型棚跨度高为3.3 m，宽度为4.7 m。

 

　　由于开采煤层为双突煤层，巷道采用边抽边掘的方式掘进，每个小循环工作面迎头施工卸压钻孔8个，孔深40 m，允许进尺30 m；每进尺60 m（2个小循环）后，巷道两帮施工顺煤层钻场，钻场内各施工顺层钻孔3个，孔深≥60 m（迎头卸压钻孔仍为8个，孔深40 m不变）。

 

　　随着巷道的施工，巷道距离F_s1断层越来越近，矿压显现愈加明显，煤层顶板比较破碎，强底低，稳定性差，在距离设计切眼位置还有100 m时，巷道支护由原来的锚索网改为U型钢棚支护。

 

　　3 喷孔过程

 

　　为了最大限度地回收煤炭资源，合理布置工作面，尽可能延长顺槽长度，顺槽施工到设计位置后，采用钻探对F_s1断层进行控制和验证，施工卸压钻孔8个，孔深40 m，左钻场（下帮钻场）钻孔参数不变，右钻场（上帮钻场）钻孔与巷道夹角作适当调整，钻场最里面钻孔与巷道夹角15°，孔深65 m，所有钻孔施工均反映正常，巷道继续向前施工了60 m（其间施工了1茬卸压钻孔，全部正常）后，专门施工2个探压（断层）孔，2孔与巷道夹角均为30°，抑角分别为6°（A孔）和10°（B孔），A孔16.4 m见岩，终孔21 m；B孔20.8 m见岩，终孔22.9 m。两孔施工中钻孔内排出的煤渣比较潮湿（钻进中使用压风排渣，该顺槽施工钻孔时排出的煤渣始终比较潮湿），孔内无明显异常现象。随后巷道仍继续向前施工，当进尺14 m，即2004年10月29日夜班20:00，B孔先开始涌水，水呈稀泥浆状，紧接着出现喷孔，大量瓦斯气体携带着煤屑（块）、水泥浆以及少量岩石碎块从孔内喷射而出，最远达10多米，并且发出巨大的响声，导致工作面迎头及整个千米巷道回风流CH₄浓度超限。由于间歇性喷孔，巷道内瓦斯浓度不稳定，且时常超限，夜班人员全部撤出停止生产。30日早班人员到达现场后，发现迎头20 m全部被煤泥水淤积，最大水深达1.2 m，B孔仍有少量清水往外流出（水量<0.5 m³/h），现场清理完后，继续恢复生产。31日下午17:00，该孔再次出现大规模喷孔，至20:00，共发生7次，喷出物超过第一阶段。11月1日早班在清理现场过程中发生最后1次轻微喷孔。喷孔结束后，孔内水流（<0.5 m³/h）清澈，水温29℃，经检测水质为HCO₃-CL-K+Na型，为煤系砂岩水。为保证安全生产，后期在停头位置又施工若干探放水（瓦斯）钻孔，均未发生喷孔现象，只放出极少量的水。

 

　　4 喷孔原因分析

 

　　根据三维地震勘探成果，F_s1为逆断层，从井下打钻资料分析，该断层实际平面位置略向南移。随着巷道的施工，巷道距离F_s1越来越近，巷道围岩压力也越来越大，现场表现为顶板严重下沉，底板鼓起，U型钢棚变形内收，巷道断面越来越小，并时常发出顶板断裂的巨大响声。这表明巷道开掘后，围岩应力的重新分布，由于巷道距离断层较近，且位于断层面的下方，顶板的下沉及底鼓，导致断层下盘岩层沿断层面发生滑移，断层活化，原始封闭性断层逐步演变为张性断层。断层面2侧岩石裂隙和含水层中封存的离压水、瓦斯以及煤层中的瓦斯（上盘煤层以及13-2、14、15煤瓦斯等），开始沿断层面（带）运移聚集，穿过断层面的钻孔为其提供了良好卸压通道，当钻孔周围的岩体强度承受不了水和瓦斯的压力时，便沿钻孔喷出。在喷孔的过程中，水和瓦斯携带的固体（煤岩块）以及跨孔，容易造成钻孔暂时性堵塞，从而出现间歇性喷孔。

 

　　因此，巷道的变形、应力的重新分布、岩层的位置移导致断层的活化是喷孔发生的主要原因。因为断层的活化是一个渐变的过程，巷道开掘后，随着顶板下沉逐渐出现滴淋水现象，表明了顶板的位移以及地下水的运动，所以出现滞后喷孔。

 

　　5 预防措施

 

　　在断层情况比较清楚可靠的情况下，最好的预防措施是按有关规程规定留设足够断层煤柱，不要去桶“马蜂窝”。如果必须要对断层进行钻探验证和控制，应首先进行引排或抽放，钻孔施工完毕后应及时进行封孔（是否全孔封闭可根据断层煤柱的多少而定）；打钻施工措施中，尤其是安全防护措施必须认真编制和落实，当在钻进过程中出现喷孔时，千万不得取出钻杆，并严禁转动钻杆。

 

　　当巷道要穿过此类断层时，应实施打钻引排或抽放措施，在确认无喷孔危险或喷孔危险消除后，方可施工巷道，并制定巷道过断层安全措施。