礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)與災(zāi)害防治

李 鵬

(西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200)

瓦斯是制約礦井安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一，在礦井生產(chǎn)過(guò)程中容易造成人員窒息或者瓦斯爆炸，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)顯著的不利影響[1～3]。由于礦井通風(fēng)管理不善、對(duì)瓦斯治理重視程度不夠，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[4]。本文中以山西某礦為工程背景，對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果提出有針對(duì)性的災(zāi)害防治措施，以期能更好的促進(jìn)礦井生產(chǎn)安全。

1 礦井概況

山西某礦生產(chǎn)能力240萬(wàn)噸/a，現(xiàn)采3號(hào)煤，平均厚度為6.3m，平均埋深502m。3號(hào)煤層在+890水平測(cè)定的瓦斯壓力在0.28MPa，瓦斯含量為5.8m3/t，透氣性系數(shù)0.163～0.297m2/MPa2·d。

2 采煤工作面瓦斯涌出來(lái)源分析

2.1 瓦斯含量預(yù)測(cè)

根據(jù)地質(zhì)勘探有關(guān)資料，對(duì)有關(guān)不可靠數(shù)據(jù)排除，并結(jié)合礦井巷道掘進(jìn)以及生產(chǎn)期間的瓦斯含量測(cè)定結(jié)果，對(duì)3號(hào)煤層瓦斯含量預(yù)測(cè)，結(jié)果見圖1。

圖1 3號(hào)煤層瓦斯含量隨埋深變化關(guān)系

根據(jù)圖1中3號(hào)煤層瓦斯含量與煤層埋深變化，對(duì)瓦斯含量隨埋深耦合關(guān)系進(jìn)行分析，具體為：W=0.0126H-2.269

式中：W表示3號(hào)煤層瓦斯含量(m3/t)；H表示煤層埋藏深度(m)。

從上述公式中可以看出，隨著3號(hào)煤層埋深深度的不斷增加，瓦斯含量增加梯度約為1.25m3/100m，由此可以推斷，埋深對(duì)3號(hào)煤層瓦斯含量有較大影響。因此，后續(xù)應(yīng)將埋深作為主控因素，對(duì)煤層瓦斯涌出量進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

3號(hào)煤層是礦井的首采層，因此，在對(duì)工作面進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)時(shí)，主要考慮本煤層瓦斯涌出量以及下部煤層瓦斯涌出量。

2.2.1 本煤層瓦斯涌出量

本煤層開采時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)公式為[8]：

式中：Q本表示本煤層瓦斯涌出量(m3/min);K圍表示圍巖瓦斯涌出系數(shù)；K丟表示采遺(丟)煤瓦斯涌出系數(shù)；K準(zhǔn)表示回采巷道預(yù)排對(duì)瓦斯涌出影響系數(shù)；m采高(m)；M煤厚(m)；W含表示原始瓦斯含量(m3/t);W殘表示殘余瓦斯含量(m3/t)。

礦井按照1.12萬(wàn)t/d進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)瓦斯涌出有關(guān)規(guī)定，計(jì)算得出3號(hào)煤層開采時(shí)瓦斯涌出量在36.95m3/min。

2.2.2 鄰近層瓦斯涌出量

根據(jù)礦井煤層綜合柱狀圖，對(duì)3號(hào)煤層瓦斯涌出量影響較大的煤層有8、9以及14號(hào)煤層。8號(hào)煤層距離3號(hào)煤層距離為15m，厚度為1.25m，9號(hào)煤層距離3號(hào)煤層22m，厚度為3.8m，14號(hào)煤層距離3號(hào)煤層距離為46m，煤層厚度為4.6m。8號(hào)、9號(hào)以及14號(hào)煤層對(duì)3號(hào)煤層開采時(shí)瓦斯涌出量有較大影響，根據(jù)分源預(yù)測(cè)法，來(lái)自于鄰近的煤層瓦斯涌出計(jì)算公式為[9]：

其中：Q鄰表示3鄰近煤層瓦斯涌出量(m3/min)；mi表示第i個(gè)鄰近煤厚(m)；ηi第i個(gè)鄰近煤層瓦斯排放率(%)；Wi含表示第i個(gè)煤層原始瓦斯含量(m3/t)；Wi殘第i個(gè)煤層殘余瓦斯含量(m3/t)。

根據(jù)上述公式，帶入3號(hào)煤層以及鄰近的8號(hào)、9號(hào)、14號(hào)煤層參數(shù)，得到鄰近的煤層瓦斯用量為10.89m3/min

2.2.3 開采時(shí)瓦斯涌出量

3號(hào)煤層開采時(shí)瓦斯涌出量Q可以按照下述公式進(jìn)行計(jì)算：

Q=Q本+Q鄰=36.95+10.89=47.84m3/min

通過(guò)計(jì)算可以得知，本煤層、鄰近層瓦斯涌出占比分別為77.24%、22.76%。因此，對(duì)于3號(hào)煤層瓦斯治理而言，應(yīng)在強(qiáng)化本煤層瓦斯治理基礎(chǔ)上增強(qiáng)對(duì)鄰近層瓦斯涌出量的控制。鄰近煤層與3號(hào)煤層間的裂隙不斷發(fā)育，鄰近層瓦斯會(huì)源源不斷的向3號(hào)煤層涌出，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 瓦斯災(zāi)害治理方案

3.1 本煤層瓦斯治理方案

3.1.1 鉆孔布置

在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷間距3m施工一個(gè)瓦斯抽采鉆孔，確保對(duì)本煤層回采區(qū)域全覆蓋(進(jìn)風(fēng)巷第一個(gè)鉆孔距離切眼煤幫4.5m，回風(fēng)巷第一個(gè)鉆孔距離切眼煤幫3m)。設(shè)計(jì)的瓦斯抽采鉆孔孔徑為113mm，鉆孔長(zhǎng)度為110m，鉆孔角度均為2°。在回采面進(jìn)風(fēng)巷切眼里4.5m(回風(fēng)巷3m)開始施工本煤層瓦斯抽采鉆孔，至回采面停采線外側(cè)20m位置終止。具體的本煤層順層瓦斯抽采鉆孔布置如圖2所示。

圖2 本煤層順層鉆孔布置示意圖

3.2 鄰近層瓦斯治理方案

在回風(fēng)巷內(nèi)每隔35m布置一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)分3排布置15個(gè)鉆孔，每排布置5個(gè)鉆孔，單排抽采鉆孔的終孔間距在10m。3排高位瓦斯抽采鉆孔終孔位置均落在3號(hào)煤層頂板裂隙帶內(nèi)，頂板高位瓦斯抽采鉆孔壓茬長(zhǎng)度為30m。具體布置如圖3所示。

圖3 回采工作面鄰近層鉆孔布置示意圖

3.3 采空區(qū)瓦斯治理

在3號(hào)煤層開采時(shí)鄰近8、9、14號(hào)煤層瓦斯會(huì)沿著開采引起的裂隙向采空區(qū)涌出，給回采工作面通風(fēng)以及瓦斯治理帶來(lái)較大壓力。根據(jù)礦井生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，布置2趟埋管抽采管路，對(duì)上隅角以及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理，取得較好應(yīng)用效果。

(1)插管抽采

在回風(fēng)巷布置一趟抽采管路，插管深度在采空區(qū)頂板切頂線以外，最深不應(yīng)超過(guò)10m。

(2)深埋管抽采

在3號(hào)煤層回采工作面回風(fēng)巷布置另一趟抽采管路，對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行深埋管抽采。埋管深入采空區(qū)切頂線以里，最深不應(yīng)超過(guò)20m。采空區(qū)埋管布置如圖4所示。

圖4 現(xiàn)采空區(qū)(上隅角)抽采示意圖

3.4 瓦斯抽采量綜合分分析

通過(guò)在3號(hào)煤層采用綜合瓦斯治理技術(shù)方法，瓦斯抽采量最大的在38.97m3/min，具體的各種抽采技術(shù)方案的瓦斯抽采量見表1。

表1 不同抽采方案瓦斯抽采量預(yù)測(cè)

從表1中可以看出，3號(hào)煤開采時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量在47.84m3/min，采用的瓦斯治理技術(shù)措施可以抽采的瓦斯量在36.97m3/min，占3號(hào)煤層瓦斯涌出量的77.28%，滿足礦井有關(guān)瓦斯抽采規(guī)范，規(guī)程要求，可以確保3號(hào)煤層開采安全。

4 總結(jié)

(1)對(duì)3號(hào)煤層開采時(shí)的瓦斯涌出量進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，回采面正常生產(chǎn)時(shí)瓦斯涌出量為47.84 m3/min，本煤層瓦斯涌出量為36.95 m3/min，占據(jù)到瓦斯涌出量的77.24%，鄰近層瓦斯涌出占22.76%。在3號(hào)煤層開采時(shí)應(yīng)注意強(qiáng)化對(duì)本煤層瓦斯治理工作。

(2)根據(jù)3號(hào)煤層開采時(shí)瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合礦井生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出綜合的瓦斯治理技術(shù)手段，具體包括本煤層順層鉆孔抽采、高位抽采鉆孔、老采空區(qū)埋管抽采、現(xiàn)采空區(qū)(上隅角)埋管抽采等，有效地對(duì)3號(hào)煤層本煤層瓦斯涌出量以及鄰近層瓦斯涌出量進(jìn)行控制，確保了礦井生產(chǎn)的安全。