近距離煤層瓦斯涌出影響因素分析及治理

趙文曙，趙澤輝

(山西西山煤電股份有限公司，山西 太原 030052)

西山礦區(qū)經(jīng)過(guò)多年高強(qiáng)度開(kāi)采，淺部賦存條件較好的煤炭資源基本枯竭[1]，為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，礦區(qū)采掘作業(yè)逐漸向深部發(fā)展，煤層地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，瓦斯含量顯著增高，礦區(qū)內(nèi)多個(gè)礦井(屯蘭礦、馬蘭礦和東曲礦等)被鑒定為瓦斯突出礦井[2-4]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，瓦斯事故在煤礦重大事故中的占比高達(dá)75%以上，由此可見(jiàn)，瓦斯是制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[5-6]。西銘礦對(duì)近距離煤層瓦斯來(lái)源進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的瓦斯治理方案，確保近距離煤層安全開(kāi)采，降低了瓦斯事故風(fēng)險(xiǎn)，為該礦區(qū)和類似礦井瓦斯治理提供了參考。

1 工程概況

西銘礦為高瓦斯礦井，可采煤層共有4層，分別為2號(hào)煤、3號(hào)煤、8號(hào)煤和9號(hào)煤，其中上位2號(hào)煤已回采完畢，目前主采8號(hào)煤，煤層厚度5.10～6.40 m，平均厚度5.80 m，傾角1～8°，平均傾角5°，裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度變化不大，為單一穩(wěn)定中厚可采煤層。9號(hào)煤厚度3.92～4.41 m，平均厚度4.16 m。8號(hào)煤與上位2號(hào)煤間距為90 m，與下位9號(hào)煤間距為1.64～3.41 m，為典型近距離煤層。48710工作面東為48712工作面(設(shè)計(jì))，南鄰北七右翼回風(fēng)巷，西鄰48708工作面，北為隨老母斷層，工作面標(biāo)高+1 034～+1 078 m，走向長(zhǎng)1 164 m，傾斜長(zhǎng)220 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法回采。工作面采用U型通風(fēng)，配風(fēng)量為2 125 m3/min。瓦斯含量實(shí)測(cè)結(jié)果表明：煤層原始瓦斯含量為11.24 m3/t，殘存瓦斯含量為3.65 m3/t，可解吸量為6.24 m3/t。48710工作面布置及其頂?shù)装迩闆r如圖1和圖2所示。

圖1 48710工作面布置示意

2 瓦斯涌出影響因素分析

2.1 頂?shù)装鍛?yīng)力環(huán)境對(duì)瓦斯涌出量的影響

受48710工作面回采影響，工作面頂?shù)装鍘r層原始應(yīng)力平衡狀態(tài)和巖層完整性被破壞，導(dǎo)致頂?shù)装鍘r層內(nèi)部裂隙發(fā)育，為鄰近層瓦斯涌出提供了通道。因此，為了探究48710工作面回采對(duì)瓦斯涌出量的影響情況，對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程回風(fēng)流和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖2 煤巖層綜合柱狀

圖3 回風(fēng)和回風(fēng)隅角瓦斯量與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

由圖3可知，工作面推進(jìn)距離小于16 m時(shí)，回風(fēng)流和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)增長(zhǎng)幅度不大，這是由于該范圍內(nèi)，采空區(qū)頂板隨工作面推進(jìn)而緩慢下沉，頂板破碎巖塊零散垮落，且工作面推進(jìn)距離較短，對(duì)頂?shù)装鍘r層破壞范圍較小，采空區(qū)頂板巖層內(nèi)部瓦斯通道較少[3]。工作面推進(jìn)至19～32 m范圍時(shí)，回風(fēng)流和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛葎×以鲩L(zhǎng)，在該范圍內(nèi)，受初次來(lái)壓和支架推移影響，工作面老頂逐步跨落，導(dǎo)致頂板巖層裂隙大幅度增加，為鄰近層瓦斯涌出創(chuàng)造了條件。工作面推進(jìn)距離大于35 m時(shí)，回風(fēng)流和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)距離的增大而同步變化，且基本趨于穩(wěn)定；因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)初次來(lái)壓結(jié)束后受周期來(lái)壓(周期來(lái)壓步距為25 m)影響，頂板活動(dòng)劇烈，片幫嚴(yán)重，支架壓力增大。綜上所述，工作面推進(jìn)距離的增加導(dǎo)致頂?shù)装鍘r層應(yīng)力發(fā)生變化，裂隙發(fā)育程度增大，為下位9號(hào)煤的瓦斯涌出創(chuàng)造了有利的裂隙通道條件。

2.2 瓦斯來(lái)源空間分布對(duì)瓦斯涌出的影響

48710工作面瓦斯來(lái)源除了本煤層采空區(qū)遺留浮煤和裸露煤巖柱外，最主要的來(lái)源為下位9號(hào)煤。因?yàn)?號(hào)煤與下位9號(hào)煤層間距僅為1.64～3.41 m，而層間巖層又為細(xì)砂巖和薄層頁(yè)巖，裂隙較為發(fā)育，透氣性較好，9號(hào)煤瓦斯具有較好的向上涌出條件。48710工作面采空區(qū)瓦斯來(lái)源空間分布特征如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯來(lái)源空間分布特征

由圖4可知，在工作面周期來(lái)壓之前，采空區(qū)老頂發(fā)生下沉、破斷和垮落，不斷將采空區(qū)垮落的矸石壓實(shí)，采空區(qū)空間不斷減小，大量從9號(hào)煤涌出的高濃度瓦斯在壓實(shí)作用下，由采空區(qū)底部向外推移，從而形成“活塞式”積壓效應(yīng)，導(dǎo)致瓦斯向采場(chǎng)呈“弱-強(qiáng)-弱”的規(guī)律涌出。另外，在周期來(lái)壓期間，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯在老頂大面積垮落所造成的強(qiáng)烈氣流沖擊下大量涌進(jìn)工作面，導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛燃眲≡龃?，極易造成瓦斯超限事故。

2.3 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

由上述分析可知，48710工作面瓦斯來(lái)源主要有三個(gè)，分別為：本煤層、采空區(qū)及裂隙帶和下鄰近9號(hào)煤層。根據(jù)北七采區(qū)其他工作面回采期間瓦斯涌出情況，預(yù)計(jì)本煤層瓦斯涌出量M1=6.28 m3/min，下鄰近9號(hào)煤層瓦斯涌出量M2=3.44 m3/min，采空區(qū)及裂隙帶瓦斯涌出量M3=8.46 m3/min，因而工作面回采期間，預(yù)計(jì)絕對(duì)瓦斯涌出量為18.18 m3/min。

由此可知，48710工作面為高瓦斯工作面，為了確保工作面安全生產(chǎn)，必須制定相應(yīng)的瓦斯治理措施。

3 瓦斯治理措施及效果

由48710工作面瓦斯涌出影響因素的分析可知，在本工作面采動(dòng)影響下，下位9號(hào)煤層通過(guò)48710工作面底板裂隙進(jìn)入到48710工作面采空區(qū)，且在“活塞式”積壓效應(yīng)作用下，造成采空區(qū)底板附近一定范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡撸數(shù)装逯g一定范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸畹?，而靠近頂板一定范圍時(shí)瓦斯?jié)舛容^高。因此，在8號(hào)煤層回采過(guò)程中，應(yīng)對(duì)本煤層進(jìn)行抽采，同時(shí)通過(guò)布置底抽鉆孔對(duì)下位9號(hào)煤的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。

1) 本煤層順層鉆孔抽采。根據(jù)48710工作面地質(zhì)條件和巷道布置情況，將本煤層抽采鉆孔布置在48710單軌吊巷內(nèi)。首個(gè)本煤層鉆孔布置在切眼向外9 m處，鉆孔間距為9 m，并對(duì)所有鉆孔采用液態(tài)二氧化碳爆破管預(yù)裂爆破，增加煤層透氣性。鉆孔與巷道中線夾角為90°，鉆孔傾角為煤層傾角，鉆孔開(kāi)孔和終孔孔徑為113 mm，開(kāi)孔位置距巷道底板1.6～1.8 m，深度為205 m。

2) 底抽鉆孔。48710工作面回采前和回采期間，在48710單軌吊巷布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為20 m；每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工5個(gè)穿層底抽鉆孔，鉆孔施工至下位9號(hào)煤底板0.5 m以下，孔徑為75 mm，孔深為18～25 m，封孔深度不小于5 m。

本煤層順層鉆孔抽采和底抽鉆孔穿層抽采5個(gè)月的抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖5(a)可知，48710工作面單軌吊巷本煤層順層抽采瓦斯?jié)舛葹?.72%～20.89%，平均抽采濃度10.58%；瓦斯抽采純量為0.33～2.72 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.16 m3/min。由圖5(b)可知，48710工作面底抽鉆孔穿層抽采濃度為4.17%～76.24%，平均抽采濃度43.12%，瓦斯抽采純量為0.81～24.86 m3/min，平均瓦斯抽采純量8.84 m3/min。因此，48710工作面瓦斯平均抽采純量為10 m3/min(本煤層順層鉆孔抽采與底抽鉆孔穿層抽采平均瓦斯抽采純量之和)，工作面回采期間預(yù)計(jì)絕對(duì)瓦斯涌出量為18.18 m3/min，故工作面瓦斯抽采率達(dá)55%，實(shí)現(xiàn)了瓦斯治理的目的，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 受頂?shù)装鍛?yīng)力環(huán)境的影響，工作面回風(fēng)流和回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)距離的增大呈現(xiàn)出不同的變化特征。

2) 近距離煤層開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)瓦斯在老頂垮落壓實(shí)和氣流沖擊作用下形成“活塞式”積壓效應(yīng)，導(dǎo)致其向采場(chǎng)呈“弱-強(qiáng)-弱”的規(guī)律涌出，在空間上呈上下部濃度高，中間濃度低的分布特征。

3) 基于北七采區(qū)其他工作面回采期間瓦斯涌出情況，針對(duì)48710工作面制定了本煤層順層鉆孔抽采和底抽鉆孔穿層抽采的瓦斯治理措施，現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)結(jié)果表明工作面瓦斯抽采率達(dá)55%，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了保障。