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(wèn)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(kāi)采；在用綜采開(kāi)采時(shí)用金屬網(wǎng)做假頂分兩層開(kāi)采，隨著礦井高產(chǎn)高效進(jìn)度加快，到1990年，15^#煤煤開(kāi)層推廣使用綜采放頂煤工藝一次采全高。

不同的開(kāi)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(kāi)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(kāi)采中暴露的煤壁瓦斯涌出。

一、采用自上而下層層釋放的開(kāi)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(kāi)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(kāi)層時(shí)，工作面瓦斯統(tǒng)計(jì)如下：

 

 

 

工作面編號(hào)	絕對(duì)瓦斯涌出量 m3/min	相對(duì)瓦斯涌出量 m3/t	備注
8108上層	0.36	3.191
中層	0.4	4.890
下層	0.58	2.74
8301上層	0.84	2.17
中層	0.57	4.98
下層	0.61	3.45

 

二、開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采高抽巷開(kāi)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(wèn)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(pán)，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(pán)，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(wèn)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(zhuān)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(wèn)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。“三帶”分布的過(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(kāi)采期間回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)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(wèn)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(wèn)題，使綜放面初采期影響生產(chǎn)及安全的瓦斯超限問(wèn)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(kāi)采以來(lái)的歷史紀(jì)錄，使綜放開(kāi)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

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