炮采放頂煤工作面瓦斯治理研究

鄭 雷 周連春 王雪芹

(1.烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 016000;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 016000;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 014010)

1 工作面概況

鶴壁中泰礦業(yè)有限公司位于鶴壁礦區(qū)北中部分,煤層平均厚度為8m,工作面自采用放頂煤開采工藝以來,基本達到了高產(chǎn)、高效的目的。由于該工作面位于煤與瓦斯突出危險區(qū),煤與瓦斯突出問題成為制約安全生產(chǎn)的首要因素,因此治理煤與瓦斯突出問題刻不容緩。

21301工作面為炮采放頂煤工作面,該工作面東以21301下順槽為界與4F37斷層相鄰,南以切眼為界與2118采空區(qū)相鄰,西以21301上順槽為界與21281采空區(qū)相鄰,北以設(shè)計停采線為界與21301邊切眼相鄰。該工作面平均推進長度270m,上順槽長402m,下順槽長371m平均煤厚5～6m,工作面平均長度65m,煤層傾角13～20°,工作面煤塵爆炸指數(shù)為15.87%。

2 瓦斯含量影響因素

煤層瓦斯含量是一定量煤中所含有的瓦斯量,它是煤層的基本瓦斯參數(shù),是計算瓦斯蘊藏量、預(yù)測瓦斯涌出量的重要依據(jù)。瓦斯的形成和保存、運移與富集,同地質(zhì)條件有密切關(guān)系,并受到地質(zhì)條件的制約。對于不同區(qū)域、不同煤田或不同塊段,影響瓦斯賦存的地質(zhì)條件存在著差異,起主導(dǎo)作用的因素也有區(qū)別,經(jīng)研究分析影響該礦井煤層瓦斯含量的因素有以下五方面：

(1)煤層的埋藏深度對瓦斯含量的影響

煤層的埋藏深度增加不僅加大了地應(yīng)力,使煤層與巖層的透氣性變差,而且加大了瓦斯向地表運移的距離,有利于瓦斯的儲存。在不受地質(zhì)構(gòu)造影響的區(qū)域,當(dāng)深度不大時,煤層的瓦斯含量隨深度呈線性增加,當(dāng)深度很大時瓦斯含量趨于常量。

(2)圍巖性質(zhì)對瓦斯含量的影響

煤層圍巖主要指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內(nèi)的一定厚度范圍的層段。煤層與圍巖的透氣性對煤層瓦斯含量有很大影響,其圍巖透氣性越大、煤層瓦斯越容易流失、瓦斯含量越小;反之,瓦斯易于保存,煤層瓦斯含量大。本區(qū)主采的煤層頂板為粉砂質(zhì)泥巖、細砂巖,裂隙不發(fā)育,透氣性差,封閉瓦斯較好,煤層內(nèi)賦存的瓦斯相對較高,含量較大。

(3)煤層厚度及變質(zhì)程度對瓦斯含量的影響

區(qū)內(nèi)主采煤層以光亮-半亮型煤為主,厚度變化不大,其對瓦斯的賦存及分布影響不大。煤種單一,變質(zhì)程度較高,生成的瓦斯量較多。其主要原因為：第一,煤層瓦斯的產(chǎn)出量直接依賴于煤化程度;第二,隨著變質(zhì)程度的加深,煤的氣體滲透率下降,氣體沿煤層向地表方向運移也就更慢;第三,變質(zhì)程度越高,煤的吸附能力越大,煤層中便于更多的氣體賦存。

(4)煤層傾角對煤層瓦斯含量的影響

煤層傾角大時,瓦斯可沿著一些透氣性好的地層向上運移和排放,瓦斯含量低;反之,煤層傾角小時,一些透氣性差的地層就起到了封存瓦斯的作用,使煤層瓦斯含量升高。本礦煤層傾角為多為9～15°,只有在西翼和東北翼的煤層傾角較大,為25～40°。故不利于瓦斯的排放,利于瓦斯的賦存。

(5)含煤巖系沉積環(huán)境和圍巖特征對瓦斯含量的影響

瓦斯主要形成于煤層,而煤層的賦存和分布與聚煤期有著密切的關(guān)系。聚煤沉積環(huán)境控制了煤層的原始分布,煤厚及其變化又受沉積環(huán)境的制約,同時聚煤前的沉積環(huán)境與聚煤后的沉積環(huán)境及其演化環(huán)境影響著煤層下伏及上覆地層的巖性、巖性組合及其厚度變化,所以說沉積環(huán)境對瓦斯區(qū)域分布、瓦斯的圈閉、保存和逸散均有重要影響。

含煤巖系的建造特征是瓦斯形成和保存的基礎(chǔ)條件。海陸交互相含煤系,往往巖性與巖相在橫向上比較穩(wěn)定,沉積物粒細,煤系地層的透氣性差,這種煤層的瓦斯含量高,陸相沉積與此相反,煤層瓦斯含量一般較低。該礦井含煤巖系龍?zhí)督M系海陸交互相含煤建造,聚煤期前后平靜水體環(huán)境沉積的細碎屑巖、油頁巖、硅質(zhì)巖及泥灰?guī)r等地層,巖性致密或具有膨脹性能,透氣性差,致使煤層中的瓦斯沿法向透氣性不利于瓦斯逸散。并且該區(qū)主采煤層4#煤層為絲質(zhì)暗亮煤,6#煤層為絲質(zhì)亮煤,鏡煤和亮煤質(zhì)地均勻而性脆,在后期構(gòu)造運動影響下,容易破碎成棱角狀小塊,增加煤的表面積,有利于瓦斯儲集。

3 煤層瓦斯突出性評價

煤層瓦斯含量具有不均勻性,受地應(yīng)力、瓦斯壓力及地質(zhì)構(gòu)造的影響與控制。工作面機巷掘進過程中按參數(shù)測定要求,在該區(qū)巷道系統(tǒng)范圍內(nèi)運用測壓鉆孔取樣了4#煤層、6#煤層的原始瓦斯壓力,瓦斯放散初速度△P,孔隙率,煤的破壞類型以及煤的堅固性系數(shù)f,測定結(jié)果見表1。

表1 煤層瓦斯參數(shù)測定表

由突出危險煤層危險性綜合指標 K和D的計算公式

式中

K——煤層的突出危險性綜合指標;

D——煤層的突出危險性綜合指標;

H——開采深度,m;

P——煤層瓦斯壓力,取兩個測壓鉆孔實測瓦斯壓力的最大值,MPa;

△P——軟分層煤的瓦斯放散初速度指標;

f——軟分層煤的平均堅固性系數(shù)。

利用表1的值,及該區(qū)段煤層的最大瓦斯壓力(1.27MPa)計算得 K分別為34.8和72.4,均遠遠大于臨界值15,D值分別為4.32和7.97,均遠遠大于臨界值0.25,由此來看,該區(qū)域煤層具有嚴重突出危險性。

4 煤層瓦斯可抽性評價

瓦斯抽放指標是用來衡量煤層瓦斯抽放難易程度的參數(shù),常用的有煤層透氣性系數(shù)和鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。

原煤炭工業(yè)部發(fā)布的《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》AQ1027-2006,將未卸壓的原始煤層的抽放難易程度劃分為：容易抽放、可以抽放、較難抽放三種類型,并規(guī)定了相應(yīng)的取值范圍 (表2)

表2 煤層預(yù)抽瓦斯難易程度分類表

(1)根據(jù)煤層透氣性系數(shù)評價

煤層透氣性系數(shù)評價抽放難易程度最直觀,應(yīng)用也最普遍,煤層透氣性系數(shù)大,則容易抽放;煤層透氣性系數(shù)小,則難于抽放。

4#煤層、6#煤層的透氣性系數(shù)均在10m2/MPa2·d～0.1m2/MPa2·d范圍內(nèi),屬于可以抽放煤層。

(2)根據(jù)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)評價

鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)是表示鉆孔瓦斯流量隨時間延長而呈衰減變化的系數(shù),其流量按負指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。衰減系數(shù)的測定方法比透氣性系數(shù)簡單,但計算出的數(shù)據(jù)不夠精確,往往與煤層實際情況不相符合。衰減系數(shù)大,則表示抽放困難;衰減系數(shù)小,則表示抽放容易。由《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》的分類,根據(jù)表2,4#煤層、6#煤層的鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)均在0.005～0.05范圍內(nèi),按此分類指標,均應(yīng)屬于可以抽放煤層。

5 采煤工作面瓦斯涌出分析

5.1 生產(chǎn)工序與瓦斯涌出量的關(guān)系

生產(chǎn)工序?qū)ぷ髅娴耐咚褂砍鲇绊戄^大,研究表明,采面瓦斯涌出與機組工作狀態(tài)和位置有密切關(guān)系,當(dāng)采煤機從回風(fēng)側(cè)向進風(fēng)側(cè)割煤時,采面瓦斯涌出量逐漸減小。生產(chǎn)班各工序 (割煤、推溜、放頂?shù)?之間雖有滯后時間,但要想嚴格區(qū)分各種工序?qū)ν咚褂砍龅挠绊懯呛茈y做到的,只能從宏觀上對生產(chǎn)班和檢修班的瓦斯涌出進行對比。參照平頂山礦區(qū)的工作面分析結(jié)果,實施采煤工作面生產(chǎn)班平均瓦斯涌出量是檢修班的1.2～1.3倍。

5.2 時間與瓦斯涌出量的關(guān)系

采煤工作面瓦斯涌出量是一個隨地質(zhì)條件、煤層賦存狀態(tài)、煤及圍巖瓦斯含量、煤及圍巖透氣性系數(shù)、開采規(guī)模及開采工藝等因素變化的多元函數(shù)。但在一個相對短的時間內(nèi) (周圍環(huán)境各因素不變的情況下),它主要隨時間而變化。從圖1我們可以看出,采煤工作面絕對瓦斯涌出量隨時間是一個波浪式變化曲線,沒用明顯的規(guī)律特征,表明實際瓦斯涌出量是一組非穩(wěn)定的、波動性較大的數(shù)據(jù)。

表3 工作面絕對瓦斯涌出量與產(chǎn)量表

圖1 工作面絕對瓦斯涌出量與日產(chǎn)量圖

5.3 配風(fēng)量與瓦斯涌出量的關(guān)系

采煤工作面瓦斯來源于開采層瓦斯和采空區(qū)瓦斯。開采層瓦斯又主要來源于工作面煤壁和采落下來的煤塊瓦斯涌出。采空區(qū)的瓦斯,一方面來源于遺留于采空區(qū)的殘煤,另一方面更主要來源于僅次于開采層上、下數(shù)十米相鄰的可采層、不可采層或富含瓦斯的圍巖。

若采煤工作面瓦斯主要來自開采層,當(dāng)采煤工作面配風(fēng)量改變時,由于本煤層瓦斯涌出不隨配風(fēng)量的增減而變化,則回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葘㈦S采煤工作面配風(fēng)量的增減而發(fā)生變化,即采煤工作面配風(fēng)量增加時回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档?采煤工作面配風(fēng)量減少時回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍龈摺?/p>

若采煤工作面瓦斯主要來自采空區(qū),這時增加或減少采煤工作面配風(fēng)量可以變更采空區(qū)瓦斯積聚條件,使得漏風(fēng)風(fēng)流從采空區(qū)帶到回風(fēng)巷或采煤工作面附近的瓦斯量發(fā)生變化。當(dāng)采煤工作面配風(fēng)量增加時,從采空區(qū)帶出的瓦斯量增加,當(dāng)采煤工作面配風(fēng)量減少時,從采空區(qū)帶出的瓦斯量降低,回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊纳蹬c采面配風(fēng)量的增減并不成反比。這就是說,開采近距離煤層群中的主采煤層時,在采面工作面的瓦斯涌出中,只有采空區(qū)瓦斯涌出與采煤工作面配風(fēng)量之間的關(guān)系比較密切。所以,風(fēng)量過小,上隅角會超限;但風(fēng)量過大,造成采空區(qū)瓦斯涌出量大,同樣亦造成回風(fēng)流和上隅角瓦斯超限。就該礦井而言,在采煤工作面實際配風(fēng)中發(fā)現(xiàn),增加風(fēng)量并不能使回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档?主要就是因為在開采近距離煤層群中的主采煤層時,采面回風(fēng)流中的瓦斯涌出62%來自采空區(qū)和不可采煤層及上、下鄰近層。表4和圖2是21301工作面2007年3月至2007年12月絕對瓦斯涌出量與配風(fēng)量之間關(guān)系的實測曲線圖表。

表4 絕對瓦斯涌出量與配風(fēng)量關(guān)系

圖2 絕對瓦斯涌出量與配風(fēng)量

5.4 周期來壓前后瓦斯涌出量的變化

從采面開切眼回采起,隨采面的推進,煤層頂板巖梁跨度逐漸增加,當(dāng)達到極限跨度時,頂板巖梁斷裂來壓,這一過程周而復(fù)始,產(chǎn)生頂板周期來壓的動力現(xiàn)象。

通過觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明,周期來壓時,回風(fēng)巷瓦斯有明顯升高,工作面總的瓦斯排放量增加通常在30%～50%之間,特別是在老頂垮落時,工作面瓦斯排放量增加值達到最高,持續(xù)時間約在30～60min。工作面上隅角的瓦斯?jié)舛仁瞧綍r的2～3倍,這是由于來壓后造成高濃度的瓦斯從采空區(qū)壓出的緣故。頂板周期來壓破壞了采場的應(yīng)力狀態(tài)和煤體結(jié)構(gòu),使煤層的孔隙率及透氣性發(fā)生了變化。所以頂板周期來壓時出現(xiàn)的周期性變化制約了瓦斯流速,導(dǎo)致瓦斯涌出量的周期變化。回采工作面頂板周期來壓與瓦斯涌出量呈周期性變化交替進行,其步距基本相同,且頂板周期來壓超前于瓦斯涌出量周期性變化,一般瓦斯涌出量峰值滯后于采場壓力峰值8～16h。

6 順層鉆孔瓦斯抽放

順層鉆孔的鉆場位于開采煤層中,抽放鉆孔沿煤層布置,鉆孔間可經(jīng)相互平行,也可經(jīng)相互交叉。順層鉆孔的優(yōu)點在于：鉆孔在煤層中均勻分布,抽放效果好;工作面回采到鉆孔時,可以實現(xiàn)卸壓抽放,鉆孔利用率高,施工成本低。其缺點是：鉆孔平行于煤層的層理面,影響抽放效果,在松軟煤層中施工抽放鉆孔容易出現(xiàn)垮孔卡鉆等,施工困難,煤層中封孔困難,影響到抽放瓦斯?jié)舛?。結(jié)合試驗礦井現(xiàn)場條件,經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟比較,確定采用順層鉆孔瓦斯抽放消除工作面煤層突出危除性。

6.1 順層鉆孔布置

21301工作面運輸槽共施工順層鉆孔46個,依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件鉆孔間距為8～16m,平均孔深約70m,孔徑為80mm,封孔深度6.5m,較嚴重突出危險區(qū)施工鉆孔24個,平均間距5m。順層鉆孔施工完畢后,及時實施封孔,并進行瓦斯抽放,基于煤層封孔的實際,孔口抽放負壓一般控制在16kPa左右。

6.2 考察結(jié)果與分析

(1)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明,通過合理布置鉆孔參數(shù),利用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯量為 0.81～1.46m3/min,平均單孔抽放量為0.0327m3/min,在整個抽放過程中,抽排瓦斯量較穩(wěn)定,但抽排瓦斯?jié)舛炔桓?平均濃度為17%左右,主要是是封孔不嚴所致。

(2)經(jīng)過瓦斯抽放,在工作面先期較嚴重危險區(qū)回采時,實際煤層瓦斯預(yù)抽率達到31.8%,大于《防治煤與瓦斯突出細則》對于沒有實測資料的礦井提出的預(yù)抽率參考指標25%,從防突角度,煤層順層鉆孔預(yù)抽達到了預(yù)期效果。

(3)采取預(yù)抽措施后,工作面回采過程中部分檢測鉆孔瓦斯涌出速度、孔最大鉆屑量指標。經(jīng)檢測,預(yù)測指標降到了臨界值以下,在該區(qū)域的回采過程中沒有發(fā)生突出及明顯的瓦斯動力現(xiàn)象,表明工作面通過采取順層長鉆孔瓦斯預(yù)抽后,煤層突出危險性基本上消除了。

7 結(jié)論

通過對放頂煤工藝特點的分析,對于突出煤層,在用區(qū)域性防突措施消除回采煤層的突出危險性后即可實現(xiàn)放頂煤工藝安全回采。同時,在沒有保護層開采條件下,順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是經(jīng)濟、可行的區(qū)域性防突措施。

[1] 防治煤與瓦斯突出細則.北京：煤炭工業(yè)出版社.1995年3月.

[2] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理示范工程.北京：煤炭工業(yè)出版社.2004年4月,P1-15.

[3] 龍祖根.采空區(qū)瓦斯涌出量與采面配風(fēng)量的關(guān)系淺析.貴州煤炭,1996年.第2期：P18-22.

[4] 牛全杰.采場壓力對瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出的影響.中州煤炭,2000年.第5期：P39-40.