陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司二礦東距陽泉市約5km，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°25′17″～113°33′07″,北緯37°46′44″～37°52′19″。井田東部為大陽泉井田，西部為西上莊井田，南部與五礦井田相鄰，北部以石太鐵路為界，隔桃河與三礦、四礦相望。井田走向長約8km，傾向長約7.8km，面積為62.4km2，截至2006年底全礦剩余可采儲量46705.8萬噸，其中15#煤可采儲量23332.7萬噸，約占全礦可采儲量的50.0%，現(xiàn)有一對生產(chǎn)井口---西四尺井。井田內(nèi)地形陡峻，溝谷縱橫。東部最高為獅腦山，高程1171.0m，西部最高為龍門山，高程1246.9m，最低處為井田北界桃河，高程約700m，相對最大高程差達(dá)540余m。本區(qū)植被不太發(fā)育，大部分地區(qū)基巖裸露于地表。
井田內(nèi)含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組。煤系地層總厚度149--210m，含煤11-15層，煤層傾角一般5-10度，主采煤層為3#、8#、15#煤層，媒質(zhì)均為變質(zhì)程度較高的無煙煤。其中：
山西組地層總厚度54～82m，平均60.23m，含煤層4～6層，煤層總厚度平均4.42m，含煤系數(shù)7.34%；可采煤層為3#、6#煤，總厚度平均3.14m，含煤系數(shù)5.21%。
太原組地層總厚度95～130m，平均118.67m，含煤層7～9層，煤層總厚度15.17m，含煤系數(shù)12.78%；可采煤層為8#、9#、12#、13#、15#煤層，煤層總厚度14.68m，含煤系數(shù)12.37%。
15#煤層是二礦主采煤層，煤層厚度一般在6.5m左右，在開采工藝上，經(jīng)歷了炮采和普采，采用人工做假頂分三層自上而下開采；在用綜采開采時用金屬網(wǎng)做假頂分兩層開采，隨著礦井高產(chǎn)高效進(jìn)度加快，到1990年，15#煤煤開層推廣使用綜采放頂煤工藝一次采全高。
不同的開采工藝，工作面的瓦斯涌出量也不同，15#煤煤層本身瓦斯含量及瓦斯壓力都不大，開采煤層瓦斯涌出量是很小的，本煤層瓦斯涌出主要來自采落煤塊及開采中暴露的煤壁瓦斯涌出。
一、采用自上而下層層釋放的開采順序瓦斯涌出
這種采煤方法，工作面產(chǎn)量相對較低，開采時瓦斯涌出量普遍較小，采煤工作面絕對瓦斯涌出量在1m3/min以下，能在正常通風(fēng)條件下，工作面采用一進(jìn)一回系統(tǒng)將瓦斯釋放到安全濃度以下排出，我礦分層開層時，工作面瓦斯統(tǒng)計(jì)如下：
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工作面編號 |
絕對瓦斯涌出量 m3/min |
相對瓦斯涌出量 m3/t
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備注 |
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8108上層 |
0.36 |
3.191 |
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中層 |
0.4 |
4.890 |
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下層 |
0.58 |
2.74 |
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8301上層 |
0.84 |
2.17 |
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中層 |
0.57 |
4.98 |
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下層 |
0.61 |
3.45 |
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二、開采15#煤布置綜采放頂煤工作面，綜放工作面瓦斯絕對涌出量達(dá)到了36-150m3/min，而且開采15#煤層有自然發(fā)火傾向。
1 、 綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律及分布狀態(tài)的研究
1）15#煤層上部賦存14#煤層和三層（K4、K3、K2）石炭巖，均含瓦斯。
通過對綜放面生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量的分析，得出了綜放工作面瓦斯涌出主要由本煤層和上鄰近層瓦斯涌出構(gòu)成。本煤層瓦斯涌出較小，約占工作面總瓦斯涌出量的10%左右，鄰近層瓦斯涌出約占90%左右。
2）綜放工作面配風(fēng)650-1100m3/min，從工作面進(jìn)入采空區(qū)前部范圍內(nèi)存在紊流與層流混合過渡區(qū)，從工作面進(jìn)入采空區(qū)后部以后，為層流區(qū)，氣體處于滲流流動狀態(tài)，瓦斯大量積存，且濃度較高。
2 、 綜放工作面鄰近層瓦斯抽放技術(shù)
1）通過對綜放工作面上覆巖層活動規(guī)律的研究，綜放工作面開采過程中，從巖石破壞角度分析，確定存在冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。冒落帶與裂隙帶分界明顯，最初冒落時，冒落帶之間有可見之空間，壓實(shí)區(qū)冒落帶巖石排列紊亂無序且破碎，裂隙帶巖石排列有序破壞程度小。
綜放工作面開采過程中，從瓦斯卸壓涌出角度確定，頂板巖石存在有卸壓開始期、卸壓活躍期、卸壓衰退期、工作面采空區(qū)后的壓實(shí)區(qū)。
2）根據(jù)綜放工作面瓦斯涌出及來源特點(diǎn)，通過在多個工作面瓦斯抽放總結(jié)，總結(jié)得出瓦斯抽放通道合適的布置層位為7-10倍采高
采用頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，在正常開采期間瓦斯抽放率達(dá)到90%以上，平均抽放量50m3/min左右。抽出率高，通風(fēng)負(fù)擔(dān)最小，能保證綜放工作面回采期間瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%以下。
3 、 綜放工作面初采期瓦斯治理技術(shù)
二礦采用綜放工藝開采的15#煤層厚度約6.5m左右，覆蓋層厚度在260~650m之間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，綜放面一般為47~78m3/min，其中，上臨近層瓦斯占86%~90%。在未采取措施的情況下，由于礦井通風(fēng)負(fù)壓的作用，在上隅角和內(nèi)錯尾巷里端形成負(fù)壓區(qū)，使上隅角和內(nèi)錯尾巷的瓦斯經(jīng)常超限。內(nèi)錯尾巷初采期瓦斯?jié)舛茸罡咴_(dá)17%，無法進(jìn)行生產(chǎn)。
綜放工作面開采初期，本煤層瓦斯隨煤體的破碎從煤體中解吸涌入回采工作面，15#煤層上覆巖層及鄰近層受采動影響，產(chǎn)生大量裂隙并不斷垮落，賦予于其中的瓦斯卸壓，沿裂隙涌入回采工作面。在初采期，隨著工作面的向前推進(jìn)，絕對瓦斯涌出量總體上有逐漸增加的趨勢，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，其波動性增大，極具不均衡性，綜放工作面從切巷推進(jìn)至17m左右時，絕對瓦斯涌出量出現(xiàn)第一次峰值，一般為10m3/mi左右，推進(jìn)至25m左右時，絕對瓦斯涌出量出現(xiàn)第二次峰值，此時峰值一般為工作面初采期間回風(fēng)巷風(fēng)排絕對涌出量的最大值，推進(jìn)至35—40m時，出現(xiàn)第三次峰值，一般從此時開采高抽巷開始抽放瓦斯，回風(fēng)巷濃度很快降低。
①綜放工作面初采，瓦斯涌出不正常，大頂未垮落，采空區(qū)空間大，空間容易積聚瓦斯，大頂不間斷地垮落，把采空區(qū)的瓦斯排擠出工作面，由于受壓力影響，往往上隅角出現(xiàn)瓦斯超限，為了解決工作面初采瓦斯超限問題，工作面回風(fēng)鋪設(shè)一趟∮380mm瓦斯管，并與對旋抽出式風(fēng)機(jī)連接，管路每隔20m設(shè)一個同直徑的三通，并上好檔盤，當(dāng)回風(fēng)巷抽放管的每個三通進(jìn)入落山采空區(qū)之前，取掉擋盤，用鐵絲網(wǎng)罩住三通，防止煤矸掉入，并在三通附近批一個木垛，保證了抽放效果，工作面上隅角瓦斯超限問題基本得到解決。
②使用2×15對旋抽出式風(fēng)機(jī)時，實(shí)際排風(fēng)量在76—180m3/min之間，抽放負(fù)壓在2850—4000Pa之間，風(fēng)排瓦斯量為1.01 —6.86m3/min,最大達(dá)9.68m3/min。當(dāng)綜放工作面回風(fēng)排放瓦斯量小于4.5m3/min，且抽出式風(fēng)機(jī)抽放瓦斯量占到回風(fēng)排放量30%以上時，基本上可保證工作面回風(fēng)上隅凈瓦斯不超限，但把瓦斯直接排放到采區(qū)回風(fēng)，而且抽放濃度受到限制，不利于安全生產(chǎn)。
③采用后中低位抽放巷技術(shù)方法雖然收到了較好效果，但是在回風(fēng)巷必須鋪設(shè)一趟專用抽放管路Ф220mm，并隨工作面的推進(jìn)被埋壓入已采區(qū)，管路里端穿過閉墻與后中低位抽放巷連通，受采動影響后閉墻易漏風(fēng)，管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛葹?/span>5%~20%。不僅影響抽放效果，更直接構(gòu)成了重大瓦斯事故隱患；另外系統(tǒng)較復(fù)雜，施工與管理難度大，且抽放方向與推進(jìn)方向相反，為采空區(qū)深部提供了供氧條件，對有自然發(fā)火傾向的15#煤不利于自燃災(zāi)害的防治。
通過對綜放工作面初采期瓦斯涌出情況的分析可知：導(dǎo)致瓦斯超限和停產(chǎn)的根源是上臨近層瓦斯。因此綜放工作面初采期治理瓦斯的關(guān)鍵是提高抽放效果，采用一條小斷面斜巷，將上隅角與走向高抽巷尾部連通，就完全可以利用走向高抽巷排放初采期上臨近層瓦斯，使初采期上臨近層瓦斯在高抽巷的抽放負(fù)壓作用下及時排出。該斜巷要布置在頂板初始冒落的邊緣帶上，使之隨頂板的冒落自下而上逐段報(bào)廢，使抽放負(fù)壓點(diǎn)隨之上移，瓦斯抽放濃度逐漸升高，直至頂板冒裂高度與高抽巷連通。
綜放工作面利用一條傾斜高抽巷和上部走向高抽巷末端連通后，近距離鄰近層瓦斯不再利用回風(fēng)埋管，而通過12#煤走向高抽巷抽出，該巷距15#煤層的垂直間距平均45m 左右，與回風(fēng)巷的水平距離約30m，抽放巷終端距15#煤層距切巷水平距離7m。采用此措施后，瓦斯抽放量得到了增加，抽放量達(dá)到50—120m3/min，降低了礦井回風(fēng)瓦斯?jié)舛?。不僅使工作面風(fēng)排瓦斯量減少了60%以上，工作面配風(fēng)降低53%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉抵?/span>0、5%以下，而且使綜放面初采瓦斯涌出影響安全生產(chǎn)問題得到了徹底的解決，并且它具有以下特點(diǎn)：
1）工作面初采瓦斯抽放率高，消除了初采期瓦斯超限隱患，實(shí)現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。
2）由于需要風(fēng)排的瓦斯量減少，可適當(dāng)降低工作面初采配風(fēng)量，使高抽巷與上隅角的負(fù)壓差加大，對瓦斯抽放更有利。
3）簡化了抽放系統(tǒng)與管理、根除了因回風(fēng)巷鋪設(shè)瓦斯管路所構(gòu)成的重大瓦斯事故隱患，更安全、更可靠。
4）小斷面傾斜巷道施工簡單，有利于高進(jìn)組織。
4 、 綜放工作面通風(fēng)方式
采用“U”型通風(fēng)，部分上鄰近層瓦斯、采空區(qū)浮煤釋放出的瓦斯，從工作面的回風(fēng)落山角涌出，易造成瓦斯超限。
“U+L”型通風(fēng)布置外錯尾巷，外錯尾巷與回風(fēng)巷有聯(lián)絡(luò)巷相通，存在采空區(qū)漏風(fēng)，雖然有利于緩解落山角瓦斯超限，但會造成過渡風(fēng)速區(qū)范圍擴(kuò)大并向采空區(qū)深部移動，增加了氧化時間，給控制采空區(qū)自然發(fā)火帶來了困難。
工作面通風(fēng)方式由“U+L”改為“U+I”型后，易于控制上鄰近層瓦斯和采空區(qū)浮煤涌出的瓦斯，防止落山角瓦斯超限。“三帶”分布的過渡風(fēng)速帶范圍縮小，并前移了約20m，大幅度縮小了氧化帶范圍，減少了氧化時間，“U+I”型通風(fēng)有利于預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火。
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結(jié)論
1）通過理論研究分析和大量現(xiàn)場實(shí)踐，掌握了綜放面上覆巖層活動規(guī)律和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定了在綜放面上部7-10倍采高范圍，巖層離層充分，瓦斯運(yùn)移水平連通性好，布置走向高抽巷抽放效果特別明顯，是走向高抽巷合理布置層位。
2）結(jié)合上覆巖層活動規(guī)律特征，在頂板內(nèi)50-60m位置布置走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，抽出率達(dá)到90%以上，抽放量最大可達(dá)到100m3/min以上，有效解決了綜放面正常開采期間回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯超限問題。走向高抽巷的瓦斯抽放機(jī)理為正向抽放，且主要抽放上鄰近層和圍巖內(nèi)的解吸瓦斯，對采空區(qū)“三帶”的范圍不構(gòu)成影響，解決了反向抽放可能引起綜放面采空區(qū)自然發(fā)火問題。
3）采用小斜坡高抽巷抽放技術(shù)治理綜放面初采瓦斯問題，使綜放面初采期影響生產(chǎn)及安全的瓦斯超限問題得到了徹底解決，其核心技術(shù)為高抽巷布置方式和布置層位。
4）由于存在層間壓差，這種抽放式充分利用了采空區(qū)裂縫釋放瓦斯，提高了抽放率。但是，給礦井防滅了提出了新課題。
總之，二礦高瓦斯自然傾向性煤層綜放面瓦斯治理成果，解決了綜放工作面瓦斯的難題，并有效地控制了煤層自然發(fā)火。在陽泉礦區(qū)特大瓦斯的條件下，綜放工作面由原來的100萬噸/年左右，突破了年產(chǎn)350萬噸的水平，創(chuàng)造了陽煤集團(tuán)綜放開采以來的歷史紀(jì)錄，使綜放開采工藝在高瓦斯有自然傾向性煤層實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的技術(shù)優(yōu)勢，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
作者簡介：田根萬（1966年—），男，礦建工程師 阜新礦業(yè)學(xué)院 陽煤二礦辦公室 TEL:0353-7022813
