鹿臺山礦綜采面煤層瓦斯問題分析與治理措施

楊程軻

(山西煤炭進出口集團 鹿臺山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200)

煤炭在我國當前能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要的地位，相關(guān)資料顯示，長期以來我國的煤炭能源消費整體呈上升趨勢，在能源消費總量中，煤炭占比在50%以上[1-2]。隨著煤炭需求量的持續(xù)增加，淺部煤炭儲量逐漸減少，煤炭開采向深部轉(zhuǎn)移，瓦斯含量高、開采難度大成為困擾各大煤企的難題。為解決瓦斯事故對煤礦開采的制約，我國大力推廣瓦斯抽采技術(shù)，實施煤層瓦斯抽采，降低瓦斯壓力、含量，有效防治瓦斯災(zāi)害，同時，抽采的瓦斯還可作為能源進行利用[3]。針對瓦斯災(zāi)害防治問題，專家學(xué)者進行了一系列研究，目前已經(jīng)形成了采前預(yù)抽、邊采邊抽及采后抽采等方法為一體的綜合抽采瓦斯技術(shù)[4]。

1 工程背景

鹿臺山礦位于山西晉城沁水縣，批準開采2～15號煤層，目前主采2號煤層，其中2205綜采面位于礦界北部，屬于二采區(qū)，工作面埋深298～316 m，南部與采區(qū)巷道相連，西部、北部為實煤體，東部為2203采空區(qū)，工作面開采區(qū)域煤層呈東西走向，煤層平均傾角6°，平均厚度1.97 m，結(jié)構(gòu)簡單，含1～2層夾矸，煤層局部存在偽頂，偽頂為0.1～0.5 m厚的炭質(zhì)泥巖，直接頂為2.89 m厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為砂巖、泥巖互層結(jié)構(gòu)，直接底為3.5 m厚的泥巖。鹿臺山礦屬高瓦斯礦井，煤層不易自燃，煤塵無爆炸性危險，礦井采用抽出式通風(fēng)方法，中央并列式通風(fēng)方式，總風(fēng)量3 253 m3/min。礦井勘探資料顯示，鹿臺山礦2號煤層瓦斯儲量437.11×106m3，可抽采儲量54.61×106m3，煤層的平均瓦斯壓力為0.47 MPa，平均透氣性系數(shù)3 223 8 m2/MPa2·d。根據(jù)預(yù)測，主采的2號煤層的最大相對瓦斯涌出量14.68 m3/t。

2 綜采面煤層瓦斯問題分析

煤炭開采過程中瓦斯主要來自工作面煤壁、采空區(qū)以及鄰近層。礦井瓦斯治理的關(guān)鍵問題之一就是瓦斯涌出源頭的判別，目前鹿臺山礦存在的瓦斯問題主要有：

1) 主采煤層瓦斯放散性能較差、煤層滲透性低。瓦斯賦存狀態(tài)包括游離態(tài)和吸附態(tài)，其中吸附態(tài)瓦斯占據(jù)絕大多數(shù)(約80%)。在生產(chǎn)實踐中，往往只有游離態(tài)的瓦斯能被治理或利用。鹿臺山礦主采的2號煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層內(nèi)含泥巖等滲透性低的夾矸巖層導(dǎo)致瓦斯的解吸、放散受到制約，吸附態(tài)的瓦斯難以轉(zhuǎn)化為游離態(tài)的瓦斯，同時夾矸巖層還可造成局部瓦斯壓力大，進一步阻礙了吸附態(tài)瓦斯的轉(zhuǎn)化，由此導(dǎo)致鹿臺山礦主采煤層瓦斯放散性能較差。雖然鹿臺山礦2號煤層平均透氣性系數(shù)為3.223 8 m2/MPa2·d，屬于可抽采煤層，但煤層內(nèi)含的夾矸巖層進一步降低了煤層滲透性，導(dǎo)致游離態(tài)的瓦斯難以釋放，瓦斯抽采效率得不到明顯改善。

2) 采空區(qū)瓦斯涌出量大。受采掘技術(shù)影響，工作面回采后將遺留部分煤炭資源進入采空區(qū)，遺留煤炭的瓦斯涌出是導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟮囊粋€主要因素。2號煤層頂板和底板存在不可采煤層，2號煤層工作面回采后，受采動卸壓影響，2號煤層不可采煤層破碎，瓦斯得到卸壓并逐漸釋放，進一步加大了采空區(qū)瓦斯涌出，此外工面煤壁的瓦斯涌出在負壓通風(fēng)作用下也有可能進入采空區(qū)。

3) 工作面瓦斯超限。相關(guān)資料顯示，鹿臺山煤礦主采的2號煤層相對瓦斯涌出量最大為14.68 m3/t，易導(dǎo)致工作面瓦斯出現(xiàn)超限現(xiàn)象，尤其是工作面回風(fēng)隅角瓦斯聚集問題。鹿臺山煤礦曾因回風(fēng)隅角瓦斯超限多次中斷生產(chǎn)。工作面回風(fēng)隅角瓦斯聚集主要是由采空區(qū)漏風(fēng)問題導(dǎo)致，受通風(fēng)系統(tǒng)的制約，回風(fēng)隅角是風(fēng)流流場薄弱環(huán)節(jié)，易出現(xiàn)瓦斯聚集，同時采空區(qū)瓦斯涌出進一步加大了回風(fēng)隅角瓦斯治理難度。

3 低滲透煤層瓦斯治理措施與效果檢驗

3.1 瓦斯治理措施

鹿臺山礦主采2號煤層存在的瓦斯問題主要有：主采煤層瓦斯放散性能較差、煤層滲透性低、采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟆⒐ぷ髅嫱咚诡l繁超限、回風(fēng)隅角瓦斯聚集等，導(dǎo)致鹿臺山礦瓦斯治理極為困難，為此提出低滲透煤層瓦斯治理措施，主要包括：

1) 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。傳統(tǒng)的U型通風(fēng)導(dǎo)致工作面回風(fēng)隅角成為風(fēng)流流場薄弱環(huán)節(jié)，甚至可能加劇回風(fēng)隅角瓦斯聚集，因此鹿臺山煤礦設(shè)計采用Y型通風(fēng)，即將2205綜采面運輸巷保留下來用作下一工作面的回采巷道，同時形成Y型通風(fēng)方式，可有效緩解回風(fēng)隅角瓦斯聚集問題。U型通風(fēng)和Y型通風(fēng)方式下風(fēng)流流場分布見圖1。

圖1 U型通風(fēng)和Y型通風(fēng)方式下風(fēng)流流場分布

2) 煤層瓦斯抽采綜合技術(shù)。設(shè)計采用雙側(cè)順層抽采技術(shù)，即在工作面兩道施工本煤層順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯方法，保證兩側(cè)鉆孔重疊區(qū)域在10 m以上，設(shè)計鉆孔直徑75 mm，據(jù)底板1.0 m施工，根據(jù)瓦斯抽采半徑測試結(jié)果，確定鉆孔間距3.0 m，上行孔長度設(shè)計100 m，下行孔長度設(shè)計80 m，見圖2。

圖2 雙側(cè)順層抽采鉆孔布置

3) 采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。2205綜采面設(shè)計采用頂板走向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，設(shè)計鉆孔直徑75 mm、高度7.0～24.0 m、長度60 m、傾角8～23°，鉆孔布置示意如圖3所示。

圖3 采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

3.2 瓦斯治理效果檢驗

綜采面煤層瓦斯治理措施在鹿臺山礦2205綜采面進行應(yīng)用后，2205綜采面開采區(qū)域煤層可將解吸瓦斯量降低至6.4 m3/t以下,綜采面瓦斯絕對涌出量為4.8 m3/min, 綜采面回風(fēng)流中瓦斯最大濃度0.46%，滿足瓦斯治理要求，實現(xiàn)了鹿臺山礦2205綜采面瓦斯問題的有效治理。

4 結(jié) 語

瓦斯問題是制約煤礦安全高效開采的關(guān)鍵因素，以鹿臺山礦2205綜采面開采的2號煤層為工程背景，分析了鹿臺山礦綜采面面臨的瓦斯問題，主要包括主采煤層瓦斯放散性能較差、煤層滲透性低、采空區(qū)瓦斯涌出量大、工作面瓦斯超限等，基于此，設(shè)計了綜采面煤層瓦斯治理措施，包括通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、煤層瓦斯抽采綜合技術(shù)、采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。瓦斯治理措施應(yīng)用后，實現(xiàn)了綜采面瓦斯問題的有效防治。