長榆河礦瓦斯預(yù)測治理技術(shù)與實(shí)踐分析

王偉林

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司 科技研發(fā)中心，山西 長治 046204；2.潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 長治 046204)

長榆河礦位于壽陽縣解愁鄉(xiāng)長榆河、窯龍溝、北窯溝、方山、計(jì)馬溝村之間，井田形態(tài)為一近東西向的刀把形，東西長5 000 m，南北寬550～2 150 m，批采深度為1 349.96～999.96 m標(biāo)高。井田面積6.562 4 km2。生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，采用綜采一次采全高采煤法采煤。

1 長榆河礦瓦斯涌出量預(yù)測計(jì)算

長榆河礦瓦斯來源少，建井投產(chǎn)期短，因此采用分源預(yù)測法計(jì)算預(yù)測瓦斯涌出量，具體計(jì)算步驟如下：

1) 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測。礦井回采工作面瓦斯來源包括開采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩部分。

q采=q1+q2

(1)

其中回采工作面開采層瓦斯涌出量q1按下式計(jì)算：

(2)

式中 ：q采為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取值1.30；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取值1.05；k3為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)，采用長壁后退式回采時(shí)，k3按下式確定。

(3)

式中：L為工作面長度，設(shè)計(jì)工作面長度150 m；h為巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，15號(hào)煤層為貧煤，則取h=14.2 m；k3為0.81。

m為開采層厚度，15上平均2.45 m；15下平均2.66 m；M為工作面采高，15號(hào)采用長壁綜采一次采全高采煤法；Wc為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，15上為1.22 m3/t；15下為1.75 m3/t。

經(jīng)計(jì)算：

15上號(hào)煤層q1= 1.3×1.05×0.81×(2.75-1.22) =1.69 m3/t；

15下號(hào)煤層q1= 1.3×1.05×0.81×(3.08-1.75) =1.47 m3/t。

長榆河礦回采工作面具體瓦斯涌出量預(yù)測計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

2) 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測。本礦井掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量分兩部分，一部分來源于掘進(jìn)時(shí)煤壁瓦斯涌出，另一部分來源于落煤瓦斯涌出，具體計(jì)算結(jié)果如下，預(yù)測結(jié)果見表2。

q掘=q3+q4

(4)

(5)

表2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果 m3/min

式中：q3為掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D為巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長度；對于薄及中厚煤層，D=2m0，m0為煤層厚度，m，15上=2.45 m、15下=2.66 m；v為巷道平均掘進(jìn)速度，m/min(按300 m/min計(jì)算)；L為掘進(jìn)巷道長度，取650 m；q0為煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度，m3/min·m2，按下式計(jì)算：

q0=0.026[0.000 4(Vdaf)2+0.16]X0

(6)

式中：Vdaf為煤中揮發(fā)份含量；X0為煤層原始瓦斯含量，15上為2.75 m3/t，15下為3.08 m3/t。

q4=S·v·γ·(W0-Wc)

(7)

式中：q4為掘巷落煤瓦斯涌出量，m3/min；S為掘巷斷面積，運(yùn)輸巷道取值12.88 m2，回風(fēng)巷道取均值11.2 m2；v為巷道平均掘進(jìn)速度，m/min，取0.006 94 m/min(按300 m/min計(jì)算)；γ為煤的密度，為1.35 t/m3。

3) 預(yù)測生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量如下式所示：

(8)

式中：Q區(qū)為生產(chǎn)采區(qū)相對瓦斯涌出量，m3/t；K＇ 為生產(chǎn)采區(qū)內(nèi)采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，1.25～1.45，取1.30；q采i為第i個(gè)回采區(qū)工作面的相對瓦斯涌出量，m3/t ；15上為6.64 m3/t、15下為4.44 m3/t；q掘i為第i個(gè)掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min，15上為1.86 m3/min、15下為1.77 m3/t ；Ai為第i個(gè)回采工作面平均日產(chǎn)量，A1=2 590 t；A0為生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，A0=2 727 t，預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

4) 礦井瓦斯涌出總量。礦井瓦斯涌出量為礦井內(nèi)所有生產(chǎn)采區(qū)和已采采區(qū)瓦斯涌出量之和，還包括其他輔助巷道的瓦斯涌出量，其計(jì)算公式為：

(9)

開采15上、15下煤層時(shí)，礦井瓦斯涌出預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

根據(jù)礦井瓦斯等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，該礦井屬于低瓦斯礦井。但煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性與煤層所處的地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度、煤層傾角和煤層埋深等密切相關(guān)。由于應(yīng)力場的復(fù)雜性以及在地應(yīng)力的作用下，使得同一地質(zhì)構(gòu)造線內(nèi)不同程度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致了瓦斯的運(yùn)移和相對富集，形成了天然氣相對高壓和低壓區(qū)，及各種有利于瓦斯富集和逸散的條件。

對在同一礦區(qū)、同一礦井內(nèi)同一煤層來說，煤層突出危險(xiǎn)性隨開采深度的增加而增大，在開采淺部煤層時(shí)為低瓦斯或高瓦斯礦井，當(dāng)開采到深部煤層后，煤層賦存條件改變致使煤層瓦斯壓力增大，從而導(dǎo)致礦井成為突出礦井。

長榆河煤礦隨著開采過程的延續(xù)，開采深度逐漸向深部延伸。由于開采煤層的埋藏深度越來越大，導(dǎo)致煤層的上覆巖層厚度也越來越大，上覆巖層的高壓致使煤層圍巖的瓦斯封存條件越來越好，煤層瓦斯壓力隨著開采深度的增加會(huì)越來越大。所以隨著開采深度的延伸，煤層瓦斯相關(guān)問題應(yīng)引起重視。

2 礦井瓦斯治理

2.1 工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律

長榆河礦采用綜采一次采全高采煤法，工作面瓦斯涌出主要分成兩部分，一部分來自采空區(qū)瓦斯涌出，另一部分來自開采煤層瓦斯涌出。受采動(dòng)影響，煤和巖體的壓力平衡狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致煤層和圍巖在各個(gè)方向上產(chǎn)生大量的裂隙，這些裂隙與回采完畢的相鄰工作面采空區(qū)連通，在持續(xù)壓力作用下，局部應(yīng)力集中，裂隙發(fā)育形成了連通采空區(qū)的通道，煤層瓦斯通過通道向采空區(qū)排放，使采空區(qū)瓦斯?jié)舛戎饾u升高，進(jìn)而受濃度梯度影響不斷向工作面涌入，導(dǎo)致回采工作面和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

2.2 綜采工作面瓦斯治理相應(yīng)措施

根據(jù)上述可能出現(xiàn)的礦井瓦斯問題，對其做出相應(yīng)治理措施[1]，具體如下：

1) 對綜采工作面，要重視流通風(fēng)的調(diào)整工作，在一定限度允許范圍內(nèi)增加流通風(fēng)數(shù)量。同時(shí)，要重視礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)督控制環(huán)節(jié)，定期對綜采工作面實(shí)際風(fēng)量進(jìn)行持續(xù)測量，以保證綜采工作面通風(fēng)環(huán)境的安全性和通風(fēng)量的穩(wěn)定性，為瓦斯整治管理打好基礎(chǔ)。

2) 對綜采工作面風(fēng)隅角部選擇性使用抽排風(fēng)機(jī)，發(fā)揮回風(fēng)和排風(fēng)功能，實(shí)現(xiàn)回風(fēng)和排風(fēng)的高效循環(huán)。要根據(jù)綜采工作面實(shí)際工作要求，選擇合理的排風(fēng)機(jī)安裝位置，從而有效實(shí)現(xiàn)瓦斯治理工作方案的實(shí)施。其中，抽排風(fēng)機(jī)的合理安置可以有效地輔助完成綜采工作面內(nèi)部來壓。對于實(shí)際的瓦斯?jié)舛葴y量，要合理增加瓦斯傳感器，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自動(dòng)化控制。對風(fēng)筒內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)測量，從而合理安排抽排風(fēng)機(jī)完成相應(yīng)的瓦斯抽排工作。

3) 要完成礦井開采過程中低瓦斯工作環(huán)境的設(shè)置，必須時(shí)刻注意瓦斯治理工作的落實(shí)。除人員安排外，要采用輪班制完成瓦斯?jié)舛葯z測工作，科學(xué)合理地規(guī)劃瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測形式，按統(tǒng)一選擇最大值的方法對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測并完成統(tǒng)計(jì)，以便更好地進(jìn)行對礦井風(fēng)量的調(diào)整和上報(bào)。另外要在煤礦日常工作中增加瓦斯檢查頻率，縮短檢查的時(shí)間間隔，以加強(qiáng)檢查的力度。

4) 根據(jù)綜采工作面風(fēng)隅角集氣的具體情況，對礦井內(nèi)部瓦斯治理提出具體的方案措施。這些回風(fēng)角的瓦斯排放部位需設(shè)置一定的設(shè)施，以完成防治。同時(shí)要注意對漏風(fēng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止瓦斯逸散涌出。

5) 在工作面設(shè)置瓦斯抽放鉆孔，對煤層內(nèi)部瓦斯進(jìn)行抽放[2]。在現(xiàn)場對巷道頂板打孔時(shí)，根據(jù)排水孔測得負(fù)壓、流量、濃度等參數(shù)，對鉆孔施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證鉆孔最終孔位精準(zhǔn)定位在裂隙帶。由于大部分鉆孔貫穿裂隙帶，使有效鉆孔的抽放時(shí)間有效延長，增加瓦斯抽放量并且提高瓦斯抽放效率。工作面巷道內(nèi)部需要設(shè)置輔助頂板鉆孔，鉆孔位置要圍繞回風(fēng)隅角進(jìn)行施工，鉆孔之間間隔20～25 m。為了保證有效抽放回風(fēng)隅角積聚的瓦斯，要根據(jù)鉆孔抽放參數(shù)測定來調(diào)試施工參數(shù)。當(dāng)采動(dòng)影響導(dǎo)致工作面地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，要根據(jù)現(xiàn)場施工情況調(diào)整施工參數(shù)，另外可通過合理增加鉆孔數(shù)量，增大鉆孔布置密度來保證抽放效果。

3 瓦斯治理效果分析

在工作面回采過程中，可通過簡化通風(fēng)系統(tǒng)、減少巷道漏風(fēng)來增加工作面配風(fēng)量。通過清理巷道雜物，減小局部風(fēng)阻，降低通風(fēng)阻力。

在瓦斯抽放管道負(fù)壓作用下，瓦斯將沿裂隙、頂板走向、輔助頂板，并向開切眼傾斜，從埋于煤層鉆孔中預(yù)設(shè)的瓦斯抽放管道進(jìn)入瓦斯抽放系統(tǒng)，排進(jìn)主回風(fēng)巷稀釋。根據(jù)工作面實(shí)際情況，對瓦斯抽放鉆孔的數(shù)量密度和留設(shè)位置進(jìn)行合理布置，提高抽放孔內(nèi)抽放參數(shù)的監(jiān)測頻率，關(guān)閉大流量低濃度的抽放鉆孔，增加采空區(qū)瓦斯抽放量。隨著回采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)面積逐漸變大，瓦斯逐漸被稀釋，瓦斯抽放管道中瓦斯的濃度將逐漸降低。

通過上述一系列瓦斯治理措施的實(shí)施，理論上可顯著提高工作面瓦斯抽放效果，增強(qiáng)了礦井工作面氣體環(huán)境的安全性，使工作面瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在較低水平。采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂?，回風(fēng)隅角瓦斯積聚情況改善，保證了工作面高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)。