烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層瓦斯抽采可行性研究

單大闊

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

礦井瓦斯是煤礦五大災(zāi)害之一，瓦斯涌出問題嚴重制約著大部分煤礦的安全高效生產(chǎn)。瓦斯抽采是治理礦井瓦斯最直接有效的方法，《煤礦安全規(guī)程》之中也對礦井是否需要建設(shè)瓦斯抽采系統(tǒng)進行了明確規(guī)定，但由于煤層性質(zhì)及賦存條件各不相同，煤層瓦斯抽采是否具有可行性和必要性也需要針對礦井條件特定分析[1]。

1 礦井概況

烏東礦隸屬與國家能源集團，位于烏魯木齊東北部，行政區(qū)劃隸屬烏魯木齊市米東區(qū)。礦井共布置3 個采區(qū)，礦井主要開采B1-2、B3-6 煤層，設(shè)計生產(chǎn)能力6.0 Mt/a[2]。B3-6 煤層傾角為42°～59°，總厚27.88 m，有益厚度19.43 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬急傾斜巨厚煤層。B3-6 煤層采用水平分段開采方式，全部垮落法管理頂板，階段高度20 m，工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，每一分層進、回風(fēng)順槽均沿煤層頂?shù)装迤叫胁贾谩?/p>

2 煤層瓦斯參數(shù)分析

2.1 煤層瓦斯含量

按照井下直接測定煤層瓦斯含量的技術(shù)要求，在烏東礦北采區(qū)+400 m 軌道石門距煤層底板10 m處施工煤層測壓鉆孔時取煤樣，根據(jù)井下及實驗室對煤樣解吸的測定結(jié)果，可得到烏東礦B3-6 煤層準(zhǔn)確的瓦斯含量數(shù)據(jù)，見表1[3]。

表1 瓦斯含量測定結(jié)果

2.2 煤層鉆孔自然瓦斯涌出量及其衰減系數(shù)

衡量煤層瓦斯預(yù)抽難易程度的重要指標(biāo)之一是鉆孔自然瓦斯涌出量及其衰減系數(shù)，烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層測定地點選擇在+575 m B3-6 南巷，首先在+575 m B3-6 南巷140、160 m 處各施工1 個鉆孔，由于鉆孔自然瓦斯涌出量隨著時間的延續(xù)是逐漸減小的，鉆孔封孔完畢后不進行密封，并采用多級流量計觀測自然瓦斯涌出量的變化情況[4]。數(shù)據(jù)觀測結(jié)束后，利用最小二乘法將測得的數(shù)據(jù)回歸計算，烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數(shù)和百米煤層鉆孔初始瓦斯涌出量見表2。

表2 鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數(shù)及百米煤孔極限瓦斯涌出量

2.3 煤層透氣性系數(shù)

衡量煤層瓦斯預(yù)抽難易程度的另一項重要指標(biāo)是煤層透氣性系數(shù)，煤層透氣性系數(shù)可利用測得的煤層瓦斯徑向不穩(wěn)定流量來計算[5]。當(dāng)煤層測壓鉆孔壓力值穩(wěn)定后，取下壓力表，在第二天同一時間測定鉆孔瓦斯流量即可計算煤層透氣性系數(shù)，各鉆孔測定結(jié)果見表3、表4 所示。

表3 煤層透氣性系數(shù)數(shù)據(jù)測定結(jié)果

表4 煤層透氣性系數(shù)計算表

3 礦井瓦斯涌出量預(yù)測

3.1 瓦斯涌出量預(yù)測方法及預(yù)測基本條件

瓦斯涌出量預(yù)測是礦井瓦斯防治工作中的重要內(nèi)容，根據(jù)烏東礦開采現(xiàn)狀、煤層賦存條件及瓦斯涌出的源匯關(guān)系按照《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》對烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層回采工作面和掘進工作面的瓦斯涌出量進行預(yù)測，

B3-6 煤層工作面日產(chǎn)量約為5 500 t，回采率為93 %，階段開采平均高度為20 m，煤層受采動影響的瓦斯排放率為45 %[6]，煤的視密度為1.54 t/m3；掘進工作面順槽掘進速度約為350 m/ mon，掘進巷道斷面積12.8 m2，巷道斷面周長10 m。

3.2 北采區(qū)+400m 水平B3-6 煤層瓦斯涌出量預(yù)測

烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層工作面瓦斯涌出主要來源為本煤層、鄰近層及下階段B3-6 煤層煤體瓦斯。工作面瓦斯涌出量與其產(chǎn)量關(guān)系密切，隨著采煤工作面產(chǎn)量的增加，其絕對瓦斯涌出量也成比例增加；掘進工作面的掘進速度越快，則掘進工作面的瓦斯涌出量也越大。B3-6 煤層工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果見表5。

4 北采區(qū)瓦斯抽采可行性論證

4.1 瓦斯抽采的必要性

4.1.1 從瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果分析瓦斯抽采的必要性

當(dāng)?shù)V井內(nèi)單一采煤工作面和單一掘進工作面絕對瓦斯涌出量分別大于5 m3/min 和3 m3/min，且采用通風(fēng)方法解決不合理時，礦方必須按照規(guī)定建立地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)或井下臨時抽采系統(tǒng)。

表5 +400m 水平B3-6 煤層采煤、掘進工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果

烏東礦北采區(qū)+400 m 水平開采B3-6 煤層達產(chǎn)后，工作面日產(chǎn)量可達5 500 t，此時回采工作面相對瓦斯涌出量為6.96 m3/t，絕對瓦斯瓦斯涌出量可達26.58 m3/min，遠大于5 m3/min；綜掘工作面月進尺350 m/mon 時，其絕對瓦斯涌出量3.05 m3/min，大于3 m3/min。此外，隨著采深的增加，沿煤層傾向上瓦斯含量也逐漸增大，礦井瓦斯涌出量隨著老采空區(qū)的增多將會有較大的增幅，無法單靠通風(fēng)方法解決工作面回風(fēng)流和上隅角瓦斯問題。因此，從保證安全角度分析，對烏東礦北采區(qū)對B3-6 煤層進行瓦斯抽采是必要的。

4.1.2 從礦井通風(fēng)能力分析瓦斯抽采的必要性

當(dāng)B3-6 煤層采掘工作面通風(fēng)能力所能解決的瓦斯涌出量小于工作面瓦斯涌量時，應(yīng)當(dāng)進行瓦斯抽采，是否需要進行瓦斯抽采常以式（1）判斷[7]：

式中：ν為工作面允許的最大風(fēng)速，4 m/s；S為工作面最小通風(fēng)斷面，5 m2；c為允許風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋?.8 %；k為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5。計算可得qy=6.4 m3/min。達產(chǎn)時期，B3-6 煤層工作面瓦斯涌出量可達26.58 m3/min，礦井通風(fēng)能力明顯不能提供足夠的風(fēng)量稀釋涌出的瓦斯，且B3-6 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，在回采期間，高速的風(fēng)流會吹起大部分煤層，嚴重威脅作業(yè)人員的健康和工作面的安全。因此，從通風(fēng)能力看烏東礦北采區(qū)已具備建立抽采瓦斯系統(tǒng)的必要條件。

4.1.3 從資源和環(huán)保的角度分析瓦斯抽采的必要性

瓦斯主要成分為CH4，其熱值較高，可視為一種優(yōu)質(zhì)的能源；但CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，可破壞地球大氣的臭氧層，污染大氣環(huán)境，是主要的溫室氣體之一，對礦井瓦斯加以利用，可帶來顯著的經(jīng)濟和社會效益[8]。根據(jù)礦井相關(guān)資料，烏東礦瓦斯資源比較豐富，僅北采區(qū)+400 m 水平B3-6 煤層瓦斯儲量就達到462.5 Mm3，具有開發(fā)利用瓦斯的條件。因此，從資源和環(huán)保角度進行分析，烏東礦北采區(qū)有必要對北采區(qū)B3-6 煤層進行瓦斯抽采工作。

4.2 瓦斯抽采的可行性

4.2.1 本煤層瓦斯抽采的可行性

本煤層瓦斯抽采（采前預(yù)抽）是否可行主要依據(jù)煤層的透氣性系數(shù)與鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)進行綜合判斷，利用這兩個指標(biāo)可將預(yù)抽瓦斯的難易程度分為三類，劃分方法及烏東礦本煤層瓦斯抽采難易程度劃分結(jié)果如表6、表7 所示。

表6 煤層預(yù)抽瓦斯難易程度分類

表7 烏東礦本煤層瓦斯抽采難易程度評價結(jié)果

根據(jù)劃分結(jié)果可以看出，烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層可以進行本煤層瓦斯抽采工作。采用分階段開采時，開采階段下部煤層由于卸壓而產(chǎn)生大量裂隙，可在深部水平施工預(yù)抽巷（回采時期可作為工作面順槽），為強化抽采效果，可在預(yù)抽巷內(nèi)采用順層鉆孔預(yù)抽泄壓煤體瓦斯，保證下階段煤體回采期間瓦斯涌出量不超限[9]。

4.2.2 采空區(qū)瓦斯抽采的可行性

在烏東礦北采區(qū)B3-6 煤層工作面回采期間，下階段煤體和圍巖受采動影響卸壓，向采空區(qū)釋放大量瓦斯。此外，采用綜放開采工藝會導(dǎo)致采空區(qū)遺煤較多，煤體破碎后也會釋放瓦斯，會造成工作面回風(fēng)隅角瓦斯超限[10]。

考慮到采空區(qū)遺煤氧化發(fā)熱自然發(fā)火傾向性，若強化抽采B3-6 煤層工作面采空區(qū)，會改變采空區(qū)氣體流場，造成采空區(qū)氧化帶內(nèi)遺煤供氧量增加，不利于防止采空區(qū)自然發(fā)火。為防止采空區(qū)煤炭自然發(fā)火同時減少采空區(qū)瓦斯涌出，在抽采采空區(qū)瓦斯期間應(yīng)不斷調(diào)整采空區(qū)瓦斯抽采量及抽采區(qū)域。煤層經(jīng)預(yù)抽后，工作面上隅角也可能出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，應(yīng)采用2 種以上瓦斯抽采方法綜合治理煤層瓦斯，根據(jù)類似礦井經(jīng)驗，可配合采用上隅角插管法治理采空區(qū)淺部瓦斯。因此，烏東礦適量抽采采空區(qū)瓦斯是可行的。

5 結(jié) 語

通過對烏東礦北采區(qū)+400 m B3-6 煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測定和瓦斯涌出量的預(yù)測，從瓦斯抽采相關(guān)技術(shù)指標(biāo)、保障安全及資源和環(huán)保的角度進行分析，烏東礦有必要對北采區(qū)B3-6 煤層進行瓦斯抽采；烏東礦對B3-6 煤層采前預(yù)抽、卸壓抽采或采用上隅角插管抽采采空區(qū)瓦斯是可行的，這對保證礦井安全高效生產(chǎn)意義重大。