關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

二礦15號(hào)煤層綜放面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

田根萬(wàn)

摘 要  針對(duì)陽(yáng)煤二礦高瓦斯綜放面瓦斯涌出量大，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)的問題，本文主要介紹了在高瓦斯易燃煤層綜放面，根據(jù)瓦斯涌出特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的分析，確定了合理的通風(fēng)方式和有效的抽放方式，以及初采期瓦斯治理技術(shù)的內(nèi)容，使綜放開采工藝在高瓦斯易燃煤層實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞  高瓦斯  易燃  抽放巷

概況

陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司二礦東距陽(yáng)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(yáng)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(zhǎng)約8km，傾向長(zhǎng)約7.8km，面積為62.4km²，截至2006年底全礦剩余可采儲(chǔ)量46705.8萬(wàn)噸，其中15#煤可采儲(chǔ)量23332.7萬(wàn)噸，約占全礦可采儲(chǔ)量的50.0%，現(xiàn)有一對(duì)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(duì)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(wú)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(shí)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(lái)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(duì)較低，開采時(shí)瓦斯涌出量普遍較小，采煤工作面絕對(duì)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(shí)，工作面瓦斯統(tǒng)計(jì)如下：

二、開采15^#煤布置綜采放頂煤工作面，綜放工作面瓦斯絕對(duì)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(guò)對(duì)綜放面生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(dòng)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(guò)對(duì)綜放工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的研究，綜放工作面開采過(guò)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(shí)，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(wú)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(guò)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(lái)源特點(diǎn)，通過(guò)在多個(gè)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(cuò)尾巷里端形成負(fù)壓區(qū)，使上隅角和內(nèi)錯(cuò)尾巷的瓦斯經(jīng)常超限。內(nèi)錯(cuò)尾巷初采期瓦斯?jié)舛茸罡咴_(dá)17%，無(wú)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(dòng)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(duì)瓦斯涌出量總體上有逐漸增加的趨勢(shì)，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，其波動(dòng)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(shí)，絕對(duì)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(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量出現(xiàn)第二次峰值，此時(shí)峰值一般為工作面初采期間回風(fēng)巷風(fēng)排絕對(duì)涌出量的最大值，推進(jìn)至35—40m時(shí)，出現(xiàn)第三次峰值，一般從此時(shí)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(duì)旋抽出式風(fēng)機(jī)連接，管路每隔20m設(shè)一個(gè)同直徑的三通，并上好檔盤，當(dāng)回風(fēng)巷抽放管的每個(gè)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(gè)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(duì)旋抽出式風(fēng)機(jī)時(shí)，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(shí)，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(guò)閉墻與后中低位抽放巷連通，受采動(dòng)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(duì)有自然發(fā)火傾向的15#煤不利于自燃災(zāi)害的防治。

通過(guò)對(duì)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(shí)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(guò)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(duì)瓦斯抽放更有利。

3）簡(jiǎn)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(jiǎn)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(cuò)尾巷，外錯(cuò)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(huì)造成過(guò)渡風(fēng)速區(qū)范圍擴(kuò)大并向采空區(qū)深部移動(dòng)，增加了氧化時(shí)間，給控制采空區(qū)自然發(fā)火帶來(lái)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?！叭龓А狈植嫉倪^(guò)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(shí)間，“U+I”型通風(fēng)有利于預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火。

5、 結(jié)論

1）通過(guò)理論研究分析和大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，掌握了綜放面上覆巖層活動(dòng)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(dòng)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(duì)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(yáng)泉礦區(qū)特大瓦斯的條件下，綜放工作面由原來(lái)的100萬(wàn)噸/年左右，突破了年產(chǎn)350萬(wàn)噸的水平，創(chuàng)造了陽(yáng)煤集團(tuán)綜放開采以來(lái)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(shì)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：田根萬(wàn)（1966年—），男，礦建工程師 阜新礦業(yè)學(xué)院    陽(yáng)煤二礦辦公室 TEL:0353-7022813