綜采工作面瓦斯涌出量預測及瓦斯綜合治理

王文清

(神東煤炭集團寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017209)

0 引言

瓦斯事故是影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，綜采工作面瓦斯事故主要是由于在生產(chǎn)期間瓦斯涌出量大、工作面瓦斯源點分布不均勻、采面地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜等多種因素的影響。為了更好地掌握綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律及治理方案，要從研究工作面瓦斯基本參數(shù)、來源分布、工作面瓦斯涌出量預測著手，提出合理的瓦斯治理方案。隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)的重視程度的提高，綜采工作面瓦斯涌出的重視程度也從高、突瓦斯礦井轉(zhuǎn)向低瓦斯礦井，尤其是上隅角瓦斯積聚導致超限的問題及綜采工作面瓦斯涌出量不均衡性已然成為煤礦安全生產(chǎn)的突出因素。本文通過對寸草塔煤礦22301綜采工作面瓦斯涌出量進行預測，提出合理的瓦斯治理方案。

1 22301綜采工作面概況

1.1 工作面基本情況

22301綜采工作面是三盤區(qū)首采工作面，位于三盤區(qū)輔運大巷西南，井田邊界以北，三盤區(qū)邊界以西，22302備用工作面以東。煤炭可采儲量403萬t。工作面煤層底板標高1 003～1 031 m，煤層傾角1°～3°，平均1°左右，煤層厚度2.4～3.2 m，平均厚度2.58 m。工作面設計走向長度為3 916 m，傾向長度為300 m，設計采高2.58 m。22301運輸順槽設計斷面為5.4 m×2.8 m，回風順槽為5.4 m×3.2 m。四鄰除22109工作面回采完畢以外，其余鄰區(qū)均未開采。工作面所采為侏羅系煤層，煤巖層總體近北西走向，呈向西南傾斜的單斜構(gòu)造。煤層頂板巖性變化大，巖性由回撤通道地段的中厚～厚層狀砂質(zhì)泥巖至切眼處變?yōu)楸訝畲稚皫r、泥巖、炭泥巖互層，屬于易破碎頂板。由于煤層及頂板裂隙較為發(fā)育，特別是落差起伏階段最為突出，頂板易破碎冒落。22301工作面平面位置如圖1所示。

圖1 22301工作面位置示意圖

1.2 工作面回采工藝

22301綜采工作面初期采用柔模沿空留巷開采技術，即工作面在回采過程中使用柔模澆筑砼墻，保留巷道為下個工作面二次使用，實現(xiàn)了一個工作面一條順槽無煤柱開采。

1.3 工作面瓦斯情況

根據(jù)瓦斯參數(shù)測定的結(jié)果，22301綜采工作面煤層最大瓦斯含量為1.33 m3/t。寸草塔煤礦為低瓦斯礦井，22301綜采工作面采前未實施煤層瓦斯預抽措施。根據(jù)礦井已采工作面的瓦斯涌出數(shù)據(jù)統(tǒng)計，已采工作面絕對瓦斯涌出量均小于5 m3/min。

2 綜采工作面瓦斯涌出分析和涌出量預測

2.1 工作面瓦斯涌出分析

隨著開采技術的提高和煤層條件的影響，綜采工作面瓦斯涌出主要分為煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出以及采空區(qū)遺煤瓦斯涌出。但是在分層開采時，工作面瓦斯涌出又分為圍巖瓦斯涌出、未采分層瓦斯涌出、回采殘煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出4方面。根據(jù)寸草塔煤礦實際生產(chǎn)情況，工作面回采過程中主要的煤層瓦斯涌出分為：工作面兩順槽煤壁瓦斯涌出、工作面煤壁瓦斯涌出、工作面落煤及采空區(qū)遺煤。2-2煤層瓦斯涌出量67.7%～81.6%來自于本煤層開采涌出的煤層瓦斯，18.4%～32.3%來自于卸壓鄰近層涌出的煤層瓦斯。

2.2 工作面瓦斯涌出預測

采用分源預測的方法，其原理就是根據(jù)礦井煤層瓦斯含量以及地質(zhì)開采條件等情況，按照回采工作面各類瓦斯涌出點的瓦斯涌出規(guī)律，將其分為開采層和臨近層進行計算。

開采層相對瓦斯涌出量：

(1)

式中：K1—圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.1；K2—工作面丟煤系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來計算，回采率按95%取值，則K2為1.05；K3—采區(qū)內(nèi)準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；L—回采工作面長度；h—巷道煤體瓦斯排放帶寬度，取25 m；m—開采層厚度，取2.58 m；M—工作面采高，按一次采全高，取2.58 m；W0—煤層殘余瓦斯含量，m3/t，22301工作面實測最大瓦斯含量為1.33 m3/t。

(2)

鄰近層相對瓦斯涌出量：

(3)

式中：mi—第i個鄰近層的煤厚，m；m0—開采煤層的開采厚度，m；Ki—第i鄰近層原始瓦斯含量，m3/t，取實測值，考慮到煤層處于瓦斯風化帶，各煤層瓦斯含量相差不是很大，沒有實測值的煤層采用2-2煤層瓦斯含量；Wci—第i個鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t，取實測值的平均值，沒有實測值的煤層取值方法同Woi。

1-上鄰近層；2-緩傾斜煤層下鄰近層；3-傾斜、急傾斜煤層下鄰近層圖2 鄰近層瓦斯排放率與層間距的關系曲線

Ki取決于層間距離的第i鄰近層瓦斯排放率，Ki可根據(jù)各煤層到開采層的距離大小(表1)，由圖2查取。

表1 各煤層至2-2煤層的距離及排放率

瓦斯涌出量預測結(jié)果：采用分源法對22301綜采工作面瓦斯涌出量進行預測，結(jié)果見表2。

綜采工作面瓦斯涌出存在不均衡性的特點，在計算時應考慮這一情況，瓦斯涌出不均衡系數(shù)取1.2，則22301綜采工作面在回采過程中，最大的相對瓦斯涌出量為1.03 m3/t。22301工作面每天的設計產(chǎn)量可達6 700 t，則該工作面最大的絕對瓦斯涌出量為4.79 m3/min。

表2 22301綜采工作面瓦斯涌出來源分析表

3 綜采工作面瓦斯綜合治理

寸草塔煤礦采面主要瓦斯問題就是上隅角超限，通過采用“Y”型通風方式可以有效地解決上隅角瓦斯。同時，通過分源法預測22301工作面在日產(chǎn)量6 700 t的情況下絕對瓦斯涌出量為4.79 m3/min，從而，22301工作面回采期間瓦斯治理主要采用通風稀釋解決，另外，輔助其他瓦斯治理措施。

3.1 通風稀釋采面瓦斯涌出

通風路線：22301工作面采用“Y”型通風方式。①新鮮風流—輔運平硐→22煤輔運大巷→集中回風大巷→三盤區(qū)輔運大巷→22301運輸順槽/22301回風順槽；②乏風風流—22301工作面→22302運輸順槽→三盤區(qū)總回→回風立井。通風系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 工作面通風示意圖

回采工作面需要風量：應按瓦斯(二氧化碳)涌出量、工作面的溫度、風速和同時工作的最多人數(shù)等規(guī)定分別進行計算，將最大值進行風速驗算，滿足要求時，即為該工作面的合理配風風量。通過計算工作面配953 m3/min的風量時，可滿足瓦斯、工作人員數(shù)量及工作面風速等要求。

通風要求：①工作面在回采過程中，如若改變原有的通風系統(tǒng)，必須制定合理的調(diào)風方案及安全技術措施，經(jīng)總工程師審批后嚴格按照措施實施；②工作面新鮮風流中，O2濃度≥20%，CO2濃度≤0.5%，CO≤24 PPm，CH4≤0.5%；③當綜采工作面空氣溫度大于26 ℃或者設備列車附近空氣溫度大于30 ℃，必須停止作業(yè)并及時處理；④必須保證綜采工作面的風量，風量不足時要及時停止工作，跟班隊領導及時匯報礦調(diào)度室，對風量進行調(diào)整；⑤必須保證綜采工作面適宜的風速，防止二次揚塵。

3.2 防止采空區(qū)漏風措施

在柔模沿空留巷采煤工藝下使用“Y”型通風會造成采空區(qū)的漏風量增大，進而引起柔模沿空留巷段回風巷瓦斯超限。因此，工作面其他瓦斯治理方案應從防止采空區(qū)漏風造成瓦斯超限的方向考慮。

采空區(qū)預埋抽放管：在回采過程中，柔模砼墻每75 m預埋1根219 mm的抽放管路，如圖4所示。如若瓦斯超限或采空區(qū)瓦斯異常涌出的情況下，可連接抽放管路進行抽采。

圖4 采空區(qū)預埋管示意圖

噴涂塑料泡沫防止漏風：為防止巷道風流漏入采空區(qū)引起自然發(fā)火，普遍采用常溫凝固的塑料泡沫噴涂到密閉上、巷道壁上，形成厚度為20～30 cm的閉孔泡沫塑料層。泡沫塑料一般都具有難燃、抗靜電、耐壓、不透氣的特性。能夠與煤、木材等材料迅速粘合，當?shù)V井來壓，可以壓縮至原有高度的70%～80%，不會造成大面積漏風，堵漏風效果良好。

隅角吊掛擋風簾：在工作面進風隅角懸掛擋風簾，接近采空區(qū)的方向，擋風簾不小于5 m，接近膠運順槽下幫擋風簾不小于10 m，且采空區(qū)方向的擋風簾與膠運順槽下幫擋風簾里外連接，搭接尺寸不小于5 m，必須上下嚴密。進風隅角堵漏后，降低了工作面往采空區(qū)的漏風，從而減小了上隅角的有毒有害氣體的流出。減小采空區(qū)漏風擋風簾設置如圖5所示。

圖5 減小工作面漏風設置方案示意圖

3.3 加強安全管理

檢查頻次：專職瓦檢員必須對工作面及其回風流的瓦斯每班至少檢查3次，3次檢查間隔時間不得小于3 h，嚴禁脫崗、睡崗、虛報、假檢和空班漏檢，并做好記錄，杜絕假檢、漏檢，實行現(xiàn)場交接班。

巡回檢查制度：專職瓦斯檢查員要嚴格按照瓦斯巡回檢查制度，認真填寫各地點瓦斯檢查牌板。如果遇到工作面停風或者瓦斯超限等情況，必須責令停止現(xiàn)場一切工作，并及時撤離至安全區(qū)域。通風部門每旬進行一次風量測試，結(jié)合工作面實際情況對風量做出合理的調(diào)整。

留巷段檢查：在柔模留巷段施工處必須安排專職瓦斯檢查員，每班至少檢測瓦斯3次，該地點嚴禁堆放與柔模留巷施工無關的材料，下班之前將施工地點材料堆放整齊，做到文明施工。

硐室警示：兩順槽超過6 m的硐室必須設置柵欄，并掛“嚴禁入內(nèi)”警示標識，同時必須安設導風筒，每班由瓦斯檢查員在柵欄外進行瓦斯檢查工作，當瓦斯?jié)舛冗_到1%時立即匯報生產(chǎn)指揮中心及隊領導進行處理。

斷電裝置：瓦斯斷電裝置必須靈敏、可靠。

停風應急預案：工作面停風時，必須切斷一切電源，安排人員撤離并及時匯報調(diào)度室?；謴屯L必須先檢查瓦斯，只有瓦斯?jié)舛仍?.0%以下，其他有害氣體濃度符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，方可進入工作面。

4 結(jié)論

(1)采用分源預測的方法，預測出22301綜采工作面在回采過程中最大的相對瓦斯涌出量達到1.03 m3/t，最大的絕對瓦斯涌出量達到4.79 m3/min。

(2)提出綜采工作面的瓦斯防治措施，即合理配風稀釋，采空區(qū)預埋抽放管，做好綜采工作面回采期間的通風管理及加強安全管理。

(3)加強礦井瓦斯地質(zhì)工作，進一步掌握工作面的瓦斯賦存情況和地質(zhì)構(gòu)造情況。在工作面回采期間遇到構(gòu)造破壞帶，包括斷層、褶曲等，煤層賦存條件變化地帶時，要做到礦井瓦斯涌出量實時預測預報，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施。