近距離煤層群回采工作面瓦斯超限防治技術(shù)研究

王向東

(山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 交城 030500)

我國礦井開采的煤層中有大量的近距離煤層群，開采近距離煤層后，鄰近的煤層間形成貫的通裂隙，是造成回采工作面瓦斯超限的主要原因[1-2]。山西A礦開采的煤層屬于典型的近距離煤層群，為了尋求礦井有效的回采工作面瓦斯超前防治技術(shù)，在井下采用高位瓦斯抽放鉆孔、采空區(qū)抽采鉆孔以及高位瓦斯抽放巷三種瓦斯治理措施，對三種不同瓦斯治理技術(shù)的瓦斯抽采管理瓦斯?jié)舛?、抽采純量進(jìn)行監(jiān)測，記錄采面推進(jìn)速度及瓦斯超限次數(shù)，從而優(yōu)選出更適合礦井本身的近距離煤層群瓦斯高效治理技術(shù)措施[3-6]。

1 工程概況

山西A礦開采煤層屬于近距離煤層群，將開采的M7號煤層作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，具體的煤層柱狀圖見圖1。具體的煤層厚度，煤層瓦斯含量及透氣性參數(shù)見表1。其中，M3～M5號、M5～M6號、M6～M7號煤層間層間距分別為11.65 m、10 m、7.65 m。M7號煤層在回采前采用抽采鉆孔進(jìn)行預(yù)抽，但是在采面回采過程中經(jīng)常發(fā)生瓦斯超限事故，給礦井生產(chǎn)帶來安全隱患。

2 瓦斯抽采布置方式

2.1 高抽巷布置方式

M7號煤層開采厚度在0.89 m，開采厚度在1.15 m，根據(jù)有關(guān)研究成果，M7號煤層開采后上覆巖層裂隙帶(H)，冒落帶(h)發(fā)育高度可以按照公式(1)、式(2)計(jì)算[3-5]：

圖1 煤層柱狀圖

表1 煤層參數(shù)

(1)

(2)

式中：M表示煤層開采厚度，m。

從上述計(jì)算公式可以得出，M7號煤層開采之后的裂隙帶、冒落帶高度分別為18.5 m、9.2 m。根據(jù)煤層層間距及賦存情況，可以看出，M6-1、M6-2煤層均處于裂隙帶內(nèi)，M6-3煤層處于冒落帶內(nèi)。M7號煤層開采后，M6-1～M6-3煤層中的瓦斯沿著開采引起的裂隙向M7號煤層回采空間涌出，從而造成回采工作面瓦斯涌出量增加，致使采面出現(xiàn)瓦斯超前事故。

為了保證瓦斯抽采效果，一般情況下高位瓦斯抽放巷布置位置的垂直投影與采面回風(fēng)巷投影間間距在15 m～20 m，為此，在上距M7號煤層15.6 m，垂直投影距離15 m處的裂隙帶內(nèi)掘進(jìn)高位瓦斯抽放巷，具體掘進(jìn)長度為650 m，布置見圖2。

圖2 高位瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

瓦斯抽放巷掘進(jìn)斷面為5.56 m2，前段進(jìn)行封閉，并采用直徑400 mm抽采管路抽采抽放巷內(nèi)的瓦斯。

2.2 高位瓦斯抽采鉆孔布置方式

為了分析對比高位瓦斯抽放巷、高位瓦斯抽放鉆孔瓦斯抽采效果，以及對回采工作面瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，在高位瓦斯抽采巷前端布?個(gè)大直徑瓦斯抽放鉆孔(孔徑113 mm)，具體布置方式見圖3，鉆孔終孔間距為6 m，控制高抽巷前方63.5 m距離。

圖3 高位瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.3 采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔布置方式

在高位瓦斯抽采巷內(nèi)布置20個(gè)下向采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔，具體布置見圖4。設(shè)計(jì)的抽采鉆孔長度為80 m，終孔位于M6-3煤層底板，M7號煤層開采的冒落帶內(nèi)，直接與采空區(qū)相聯(lián)通，鉆孔終孔間距為15 m。開始布置的采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔與高位瓦斯抽采巷端頭距離為160 m，鉆孔孔徑為75 mm。

圖4 采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

在M7號煤層開采過程中，采面上隅角、尾排巷是瓦斯容易積聚位置，是瓦斯超前的高發(fā)位置。在3種瓦斯抽采方式布置完畢后，通過高位瓦斯抽采巷末端抽采管路對不同抽放方式的瓦斯抽采純量、濃度進(jìn)行監(jiān)測，而且對采面上隅角、尾排瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，記錄瓦斯?jié)舛?、瓦斯量變化隨著采面回采變化情況。

3 瓦斯治理效果分析

回采工作面回采期間的瓦斯抽采量、抽采濃度變化情況見第124頁圖5。在采面回采初期，由于采面采空區(qū)面積小，上覆巖層未出現(xiàn)垮落，巖層保持較好完整性，在高抽巷內(nèi)布置的抽采管路未檢測到瓦斯。將監(jiān)測到瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量時(shí)將推進(jìn)距離標(biāo)記為0，此時(shí)，回采工作面推進(jìn)超過高抽巷前端12 m，采面后方采空區(qū)內(nèi)覆巖開始垮落，裂隙與布置的瓦斯抽采鉆孔聯(lián)通?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)距離至60 m位置時(shí)，瓦斯抽采濃度、純量顯著提升，此時(shí)，回采工作面超前高位瓦斯抽采巷前段8.5 m。高位瓦斯抽采巷有效抽采面積增加，瓦斯抽采效率得以提升。

回采工作面推進(jìn)至150 m位置時(shí)，瓦斯抽采濃度、純量進(jìn)一步提升，此時(shí)回采工作面超前瓦斯抽采鉆孔前端6 m左右，由于增加了瓦斯抽采通道，瓦斯抽采濃度、純量得以提升。隨著回采距離增加采動(dòng)裂隙連接到的瓦斯抽采鉆孔增加，但是由于M6-3煤層位于M7號煤層開采引起的冒落帶內(nèi)，大量空氣從采空區(qū)進(jìn)入到瓦斯抽采鉆孔內(nèi)，從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采純量、濃度降低。

圖5 采面推進(jìn)期間的瓦斯抽采量、抽采濃度變化情況

具體回采工作面推進(jìn)過程中上隅角、尾排瓦斯?jié)舛纫约案叱橄飪?nèi)抽采管理瓦斯抽采濃度、抽采量變化情況見圖6。在僅采用本煤層瓦斯抽采方式時(shí)，回采工作面尾排瓦斯?jié)舛绕骄?.16%，最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到3%以上，上隅角處瓦斯?jié)舛绕骄?.45%，最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.53%，瓦斯超限問題嚴(yán)重影響回采工作面煤炭生產(chǎn)以及生產(chǎn)安全。

高位瓦斯抽采巷治理瓦斯55 d內(nèi)，為采用高位瓦斯抽采鉆孔抽采瓦斯方法，此時(shí)瓦斯抽采濃度、純量分別為2.5 m3/min、9.53%，在高位瓦斯抽采鉆孔抽采期間，回采工作面尾排瓦斯?jié)舛?、上隅角瓦斯?jié)舛染捣謩e為1.08%、0.43%，與未采用高位瓦斯抽采鉆孔前濃度變化不明顯。

高位瓦斯抽采巷治理瓦斯55 d后，采面采空區(qū)裂隙帶與高抽巷貫通，此時(shí)抽采管路內(nèi)的瓦斯抽采濃度、抽采純量從2.5 m3/min、9.53%，提升至10 m3/min，25%以上，瓦斯抽采時(shí)間至165 d時(shí)，采面推進(jìn)至上隅角平均瓦斯?jié)舛葟?.45%降低至0.37%，降幅度接近19%，尾排瓦斯?jié)舛葟?.16%降低至0.48%，降低幅度在64%。在高位瓦斯抽采巷抽采瓦斯這段時(shí)間內(nèi)，采面瓦斯?jié)舛染幱诘臀唬窗l(fā)生瓦斯超限事故。

回采工作面回采165 d后，終孔位于M6-3煤層底板的采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔開采抽采瓦斯。由于采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔將采空區(qū)、高位瓦斯抽采巷聯(lián)通，大量的空氣從采空區(qū)向高位瓦斯抽采巷涌入，在此階段，高抽巷內(nèi)瓦斯抽采管路抽采濃度、瓦斯抽采純量較高位瓦斯抽采巷單獨(dú)階段分別降低約13%、10%，抽采濃度、純量平均在15% 、11 m3/min。在此階段內(nèi)上隅角、尾排瓦斯?jié)舛确謩e為0.38%、0.46%。

圖6 不同瓦斯治理技術(shù)瓦斯抽采及采面瓦斯?jié)舛惹闆r

具體回采工作在采用瓦斯治理試驗(yàn)前、后的采面推進(jìn)、瓦斯超限統(tǒng)計(jì)情況見表2。從表2中可以看出，試驗(yàn)前采面的月回采速度僅為20 m，試驗(yàn)中采面的推進(jìn)速度增加至53 m，推進(jìn)速度提升至120%；試驗(yàn)前采面共發(fā)生6 次瓦斯超限，平均每月0.3 次，采用高位瓦斯抽采巷后，采面瓦斯超限得以杜絕。

表2 采面推進(jìn)及瓦斯超限統(tǒng)計(jì)表

通過試驗(yàn)對比分析，在該礦開采M7號煤層時(shí)采用高位瓦斯抽放巷方式，可以有效避免由于臨近煤層瓦斯涌出造成的采面瓦斯超限事故。高位瓦斯抽采鉆孔抽采期間對采面瓦斯?jié)舛扔绊戄^小，不能起到有效治理采面瓦斯涌出作用。

4 結(jié)論

1) M7號煤層及上覆M6-1、M6-2、M6-3煤層裂隙不發(fā)育、煤層透氣性底、瓦斯含量高，M7號煤層開采后M6-1、M6-2、M6-3煤層卸壓，瓦斯大量解析，并沿著覆巖裂隙向M7號煤層涌出，是導(dǎo)致M7號煤層回采工作面瓦斯超限的主要原因；

2) 在M7號煤層回采工作面上覆布置高位瓦斯抽采鉆孔，不能有效起到防治采面瓦斯超限作用；通過布置高位瓦斯抽放巷，可以有效對采面瓦斯進(jìn)行治理，降低臨近煤層瓦斯向采面涌出量，從而避免M7號煤層回采工作面瓦斯超限；

3) 在回采工作面采用高位瓦斯抽采巷后，采面上隅角、尾排瓦斯?jié)舛容^采原采面分別降低20%、60%，有效避免了采面瓦斯超限事故發(fā)生，同時(shí)采面的推進(jìn)速度也從20 m/月提升至52 m/月；

4) 采用高位瓦斯抽放巷抽取的瓦斯?jié)舛绕骄?0%以上，瓦斯?jié)舛容^高，可以實(shí)現(xiàn)瓦斯資源的高效利用，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。