1、前言
陽煤集團(tuán)是國(guó)內(nèi)瓦斯涌出量最大的礦區(qū)，也是最難進(jìn)行煤層瓦斯抽放的礦區(qū)之一。2006年13個(gè)礦井，年產(chǎn)量3541.69萬噸，礦井測(cè)定最大瓦斯絕對(duì)涌出量1642.37m3/min，單井最大絕對(duì)涌出量414.6m3/min。礦井瓦斯抽放量3.75億m3。
陽泉礦區(qū)含煤16層，主要開采3、12、15號(hào)煤。15號(hào)煤層采用高效綜放開采工藝，2006年15號(hào)煤開采年產(chǎn)量達(dá)到2500萬噸以上，占全集團(tuán)公司總產(chǎn)量的70%以上。由于15號(hào)煤位于整個(gè)煤層的最下部，雖然本煤層瓦斯含量不大（7.13m3/t），但其上部的鄰近層瓦斯含量較高（14.75～21.73 m3/t），并存在K3、K4石灰?guī)r瓦斯。如果直接開采15號(hào)煤，其綜放開采強(qiáng)度大，采空區(qū)上覆巖層冒落空間大一次性卸壓范圍廣，瓦斯涌出源多，鄰近層瓦斯涌出量占工作面總涌出量的90%。據(jù)統(tǒng)計(jì)綜放面瓦斯涌出量為一般30~70 m3/min，最大時(shí)達(dá)到213m3/min以上，這樣大的瓦斯，主要采用頂板走向高抽巷抽放鄰近層瓦斯解決綜放面瓦斯超限問題，最大抽放量達(dá)到180 m3/min，鄰近層瓦斯抽放率達(dá)到90%以上，基本上解決了正常開采期間的鄰近層瓦斯問題。
但是工作面初采期間頂板初次垮落，頂板巖石冒落及裂隙影響范圍達(dá)不到高抽巷位置，走向高抽巷還暫時(shí)不起作用，近距離鄰近層不穩(wěn)定涌出的瓦斯全部涌入工作面，加之采空區(qū)遺煤瓦斯涌出，工作面的瓦斯涌出量急劇增加、瓦斯超限頻繁，在初采期間（0～40范圍）工作面難以正常生產(chǎn)，初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出問題，成為直接威脅綜放安全開采的重大隱患。
因此，我們對(duì)綜放面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出進(jìn)行了大規(guī)模深入研究，保證初采期間的瓦斯得到有效的排放，使綜放面各個(gè)工作地點(diǎn)瓦斯的濃度都處于安全規(guī)程規(guī)定的濃度以下，防止瓦斯超限，有效消除瓦斯對(duì)安全生產(chǎn)的威脅。
2、綜放面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出治理技術(shù)
陽煤集團(tuán)綜放面開采15號(hào)煤層，煤厚6.8m左右，煤層及圍巖透氣性差，上鄰近層瓦斯含量高，15號(hào)煤開采過程中90%以上瓦斯來源于上鄰近層。為了有效解決鄰近層瓦斯，一般在上部9、10號(hào)或12號(hào)煤層開掘走向高抽巷，距15號(hào)煤頂板40～60m左右。正常開采時(shí)，高抽巷通過采動(dòng)裂隙能夠很好的抽出鄰近層瓦斯。初采范圍內(nèi)，由于僅直接頂垮落，老頂未垮落，裂隙不能通達(dá)高抽巷，上鄰近層瓦斯大量涌向采場(chǎng)空間，對(duì)初采期的安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。
2.1綜放面初采期間瓦斯涌出規(guī)律
由于綜放面切巷（6~7m寬）采用長(zhǎng)木棚及錨索支護(hù)，并且初采4~6m不放頂煤，一般在工作面推進(jìn)4~6m后頂板才開始有下沉活動(dòng)，工作面推進(jìn)10m以前，瓦斯基本來自本煤層，瓦斯涌出量很小。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，直接頂開始離層垮落，近距離的14號(hào)煤、K 2灰?guī)r瓦斯逐漸涌出，工作面瓦斯涌出量呈明顯上升趨勢(shì)。此時(shí)頂板活動(dòng)開始加強(qiáng)，工作面煤壁受集中壓力的影響，在采煤與放頂過程中冒頂片幫經(jīng)常發(fā)生，每發(fā)生一次冒頂或片幫都會(huì)使冒落圍巖附近瓦斯很快解吸進(jìn)入工作面，造成落山角及風(fēng)流中瓦斯超限，一般3~4小時(shí)內(nèi)瓦斯涌出會(huì)慢慢穩(wěn)定。初采期支架后部漏風(fēng)量比正?；夭蓵r(shí)大的多，大量漏風(fēng)攜帶著采空區(qū)高濃度瓦斯在回風(fēng)側(cè)落山角集中涌出，造成回風(fēng)側(cè)落山角1~2支架間及回風(fēng)巷落山側(cè)成為高濃度瓦斯積聚區(qū)。
工作面通風(fēng)量的大?。ɑ蛲L(fēng)壓力的大?。?duì)瓦斯涌出量的影響較大，特別是在初采期間尤為明顯。從理論上講通風(fēng)負(fù)壓越大，煤層及圍巖內(nèi)賦存的原始瓦斯壓力與通風(fēng)系統(tǒng)之間的壓差越大，瓦斯運(yùn)移能量越大，運(yùn)移速度越快，相同范圍的圍巖及煤層瓦斯解吸涌出速度也越快，涌出的瓦斯量增多；反之，涌出的瓦斯量減少。如五礦8214工作面初采時(shí)風(fēng)量從1600 m3/min，加大到2200 m3/min，瓦斯涌出濃度依然超限，停產(chǎn)最大瓦斯涌出量30.6 m3/min，在回風(fēng)設(shè)風(fēng)卡增加阻力（減少負(fù)壓）1058Pa后，風(fēng)量降到700 m3/min，回風(fēng)風(fēng)排瓦斯量4 m3/min，采空區(qū)埋管抽放11.13 m3/min，抽放濃度30%，總瓦斯涌出量?jī)H有15.13 m3/min，比加風(fēng)時(shí)瓦斯涌出量降低38.5%~50.6%。
有時(shí)候，初采期間頂板好壞也直接影響瓦斯涌出條帶的分布，一般情況下瓦斯從機(jī)尾及后幾架支架向外涌出，但有的工作面在巷道掘進(jìn)時(shí)柵梁上方冒落較高，形成離層空間，一旦在采動(dòng)時(shí)有裂隙將工作面上方離層空間與該處溝通，鄰近層瓦斯和采空區(qū)上部瓦斯在負(fù)壓作用下沿此空間移動(dòng)，在回風(fēng)道形成局部涌出點(diǎn)，從而造成回風(fēng)局部瓦斯超限，影響生產(chǎn)，五礦8111工作面在初采期間曾出現(xiàn)類似情況，回風(fēng)局部瓦斯涌出濃度6%~9%左右，最大瓦斯涌出量81.10 m3/min，影響生產(chǎn)時(shí)間300min。
根據(jù)綜放面初采斯瓦斯涌出特征的研究表明，綜放工作面在初采期間，隨著直接頂、老頂?shù)目迓?，?huì)造成2～3次不穩(wěn)定涌出高峰。在綜放面推進(jìn)至距開切巷15m以前時(shí)，工作面的瓦斯涌出量為3~9 m3/min。當(dāng)工作面推進(jìn)至15~20m左右時(shí)瓦斯涌出出現(xiàn)第一次高峰，工作面頂板初次垮落進(jìn)入初采期，瓦斯涌出不穩(wěn)定，工作面開始出現(xiàn)瓦斯超限；在工作面推時(shí)至22~28m左右時(shí)瓦斯涌出出現(xiàn)第二次高峰，瓦斯涌出量為7~37 m3/min；工作面推進(jìn)至38m左右時(shí)，高抽巷大量抽出瓦斯，初采期工作面瓦斯涌出量迅速下降，瓦斯超限得到緩解，初采期結(jié)束。如圖1所示。綜放面初采期瓦斯涌出（平均涌出量）的構(gòu)成為本煤層占15.8%~24%，鄰近層（含采空區(qū)）占76%~84.2%。
圖1 綜放面初采期瓦斯涌出規(guī)律示意圖
綜放面頂板初次垮落階段初采期瓦斯涌出不穩(wěn)定超限的推進(jìn)度范圍為15~40m，累計(jì)最大4980分鐘，若包括因停電撤人到恢復(fù)生產(chǎn)的實(shí)際影響生產(chǎn)時(shí)間為9~20天。
綜合分析綜放面初采期的瓦斯涌出、頂板卸壓與推進(jìn)度的關(guān)系可以看出，綜放面初采期瓦斯超限的根本原因?yàn)?，?dāng)工作面推進(jìn)到一定距離，隨著直接頂和老頂?shù)拿奥洌构ぷ髅嫔细步嚯x鄰近煤層14號(hào)、13號(hào)煤層及含瓦斯的K3、K4灰?guī)r卸壓，瓦斯不穩(wěn)定地涌出，而此時(shí)頂板冒落造成的卸壓高度還達(dá)不到布置在9號(hào)煤層中的走向高抽巷，高抽巷暫時(shí)不起作用，因而使已卸壓的近距離鄰近層瓦斯大量涌向工作面，加上工作面采空區(qū)瓦斯的涌出，工作面瓦斯涌出大量增加，引起瓦斯超限。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，大約30m以后，頂板卸壓范圍的不斷擴(kuò)大，鄰近層瓦斯涌出更加增大，而此時(shí)頂板卸壓已經(jīng)影響到高抽巷，高抽巷已開始起作用，因此工作面瓦斯涌出總體上呈下降趨勢(shì)。當(dāng)走向高抽巷大量抽出鄰近層瓦斯后，高抽巷抽放瓦斯量開始會(huì)逐漸增加，一般達(dá)到20～85 m3/min，最大可達(dá)到180 m3/min。見表1。表1列舉了5個(gè)綜放面高抽巷開始抽放瓦斯時(shí)的初采期推進(jìn)度值和瓦斯情況。
表1 綜放面初采期推進(jìn)度和瓦斯涌出情況
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序 號(hào) |
工作面 編號(hào) |
初采期 推進(jìn)度 （m） |
高抽巷 CH4濃度 （%） |
抽放量 （m3/min） |
高抽巷位置 |
隅角處頂板初始冒落角度 |
|
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H （m） |
B （m） |
||||||
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1 |
80608 |
39.0 |
20 |
8.00 |
46 |
28 |
65.5 |
|
2 |
80510里 |
42.3 |
33 |
24.69 |
49 |
52 |
66.0 |
|
3 |
80510外 |
39.5 |
53 |
79.20 |
42 |
28 |
62.5 |
|
4 |
80606 |
38.0 |
30 |
25.82 |
46 |
38 |
66.0 |
|
5 |
80609 |
43.8 |
35 |
20.19 |
43 |
22 |
62.0 |
2.2采用偽傾斜后高抽巷抽放近距離鄰近層瓦斯
陽煤集團(tuán)最初試驗(yàn)采用中低位后高抽巷抽放初采期瓦斯，在回風(fēng)巷敷設(shè)一趟380mm抽放管，利用移動(dòng)抽放泵抽放，取得了明顯的治理效果。經(jīng)過大規(guī)模的試驗(yàn)后，在二礦首次采用一條小斷面?zhèn)蝺A斜后高抽巷抽放初采期瓦斯，并在集團(tuán)公司推廣。將上隅角與走向高抽巷尾部連通，使初采期上鄰近層瓦斯在高抽巷的抽放負(fù)壓作用下及時(shí)抽排入礦井抽放系統(tǒng)。減少了在回風(fēng)巷敷設(shè)的一趟380mm瓦斯管路。
中低位后高抽巷下段巷道布置在實(shí)體煤層中，關(guān)鍵是不能被破壞，上段巷道有一段平巷，深入頂板巖石冒落邊緣卸壓帶內(nèi)，最初時(shí)采用兩條平巷，一條布置在14號(hào)煤層，一條布置在13號(hào)煤層，后來采用一條，直接布置在13號(hào)煤層中。
后高抽巷采用密閉墻密閉，兩面用磚砌成，中間充填黃泥，墻厚3m，在密閉墻上預(yù)設(shè)抽放管路，管路為直徑226mm或380mm直縫焊管，沿回風(fēng)巷敷設(shè)，并與移動(dòng)抽放泵或礦井抽放系統(tǒng)相聯(lián)。
小斷面?zhèn)蝺A斜后高抽巷布置簡(jiǎn)單，只有一條偽傾斜巷道，但技術(shù)要求高，其關(guān)鍵是要布置在頂板初始冒落的邊緣帶以下，下段不需要密閉，巷道隨頂板的冒落自下而上逐段報(bào)廢，使抽放負(fù)壓點(diǎn)隨之上移，瓦斯抽放濃度逐漸升高，直至頂板裂隙高度與高抽巷連通，安全渡過初采期瓦斯不穩(wěn)定涌出的危險(xiǎn)期。值得注意的是，如果布置在頂板初始冒落的邊緣帶以上，巷道保持完整，就不會(huì)隨頂板的冒落自下而上逐段報(bào)廢，造成回風(fēng)系統(tǒng)與走向高抽巷連通，影響整個(gè)抽放系統(tǒng)濃度。如圖2所示。
圖2 中低位后高抽巷與偽傾斜后高抽巷布置示意圖
以二礦8613綜放面為例，走向高抽巷沿12號(hào)煤層布置，與15號(hào)煤層的垂直間距H=42～49m，與回風(fēng)巷的水平距離B=22～28m，為了保證偽傾斜后高抽巷的布置角度不超過頂板的初始冒落角度，走向高抽巷尾端向工作面中部拐彎，終端與回風(fēng)巷的水平距離B=50m，終端距切巷水平距離20m。
根據(jù)綜放面高抽巷開始抽放瓦斯時(shí)的推進(jìn)度，得出上隅角頂板的初始冒落角度為62o~66o。據(jù)此，在8613綜放面用一條斷面2.25m2、仰角44o、斜長(zhǎng)68m的小斷面?zhèn)蝺A斜后高抽巷，將上隅角與走向高抽巷終端溝通，巷道布置在頂板初始冒落的邊緣帶以下，下段巷道不需要密閉，隨頂板冒落逐段報(bào)廢，抽放負(fù)壓點(diǎn)不斷上移，抽放濃度逐漸提高。
由于二礦8613綜放面初采期間采用了偽傾斜后高抽巷瓦斯治理技術(shù)，與二礦沒有采用偽傾斜后高抽巷的8510綜放面相比，瓦斯排放和抽放途徑發(fā)生了根本變化。當(dāng)兩個(gè)工作面分別推進(jìn)到16m~42m期間，上鄰近層瓦斯開始大量涌出，8613工作面初采期間內(nèi)錯(cuò)尾巷的平均風(fēng)排瓦斯量為3.75 m3/min，瓦斯?jié)舛刃∮?/span>2.5%不超限。8510工作面初采期間內(nèi)錯(cuò)尾巷的平均風(fēng)排瓦斯量高達(dá)26.33 m3/min，瓦斯超限嚴(yán)重。而8613工作面后高抽巷的平均瓦斯抽排量為18.59 m3/min，8510工作面走向高抽巷的平均瓦斯抽排量為1.46 m3/min。因此，8613在初采期未發(fā)生1分鐘的瓦斯超限事故，綜放面初采期瓦斯不穩(wěn)定涌出治理達(dá)到了預(yù)期目的。取得了理想的治理效果。
2.3. 偽傾斜后高抽巷治理初采期瓦斯的技術(shù)特點(diǎn)
陽煤集團(tuán)幾種比較有代表性的綜放工作面初采期瓦斯治理技術(shù)方法，有一個(gè)從最初試驗(yàn)到技術(shù)成熟試驗(yàn)的基本過程。
五礦最初采用的方法，是在沒有布置內(nèi)錯(cuò)尾巷的情況下，利用采空區(qū)埋管抽放采空區(qū)及落山角瓦斯，同時(shí)利用該趟管路與后高抽巷閉墻預(yù)留管連通解決初采期瓦斯。
二礦采用的落山角與內(nèi)錯(cuò)尾巷口布置的小斷面?zhèn)蝺A斜后高抽巷，不進(jìn)行密閉，偽傾斜后高抽巷處于冒落帶邊緣，隨著工作面開采逐漸垮落，抽放的入氣口逐漸升高，直到初采期結(jié)束，走向高抽巷起作用后即失效。
一礦大直徑鉆孔孔口布置在切巷內(nèi)，鉆孔仰角39度，鉆孔軌跡位于走向高抽巷垂直投影下方，鉆孔下段隨著工作面開采逐漸垮落，抽放的入氣口逐漸升高，直到初采期結(jié)束。走向高抽巷起作用后即失效。
三礦、五礦后來布置的后高抽巷，位于切巷外側(cè)實(shí)體煤層內(nèi)，下段巷道需要進(jìn)行密閉，后高抽巷處于冒落帶邊緣以外，不隨工作面開采垮落，抽放的入氣口基本不變?？杀Ａ舻焦ぷ髅嫒坎赏?，走向高抽巷起作用后仍然可以抽放采空區(qū)高濃度的瓦斯。
由于偽傾斜后高抽巷的抽放作用，使工作面風(fēng)排瓦斯量較以往工作面有明顯的減少，如三礦K8105綜放面布置偽傾斜后高抽巷后，風(fēng)排瓦斯量平均值為8.21m3／min，而沒有布置偽傾斜后高抽巷的相鄰綜放面風(fēng)排瓦斯量為9.75～38.46m3/min，以往綜放面初采頂板來壓瓦斯增大時(shí)，僅使用加大風(fēng)排的方法處理，使工作面最大配風(fēng)量達(dá)到1600～2200m3/min，而二礦8613綜放面和三礦K8105綜放面配風(fēng)量?jī)H為1000～1500m3/min，比三礦、五礦、二礦已開采但沒有布置偽傾斜后高抽巷的綜放面，風(fēng)量平均降低600～700m3/min，這充分說明，加大工作面配風(fēng)量在一定程度上不利于瓦斯治理，帶有很大被動(dòng)性，后高抽巷抽放方式變被動(dòng)為主動(dòng)疏導(dǎo)抽放，克服了以往傳統(tǒng)方式的弊病，而且由于需要風(fēng)排的瓦斯量減少，可適當(dāng)降低工作面初采配風(fēng)量，走向高抽巷與綜放面上隅角的負(fù)壓差加大，對(duì)瓦斯抽放更有利。在有效抽放綜放面初采期瓦斯的同時(shí)，也減少了工作面的配風(fēng)量，使通風(fēng)費(fèi)用大大降低，礦井的通風(fēng)能力相對(duì)提高。
偽傾斜后高抽巷抽放的有效性數(shù)據(jù)表明，工作面初采瓦斯抽放率高，占初采期瓦斯86.25%～90.29%的上鄰近層瓦斯被及時(shí)排放，抽放瓦斯?jié)舛葹?/span>70％～90％，抽放純瓦斯量18.59 m3/min～76.8 m3/min。消除了初采期瓦斯超限隱患，實(shí)現(xiàn)了安全、高效生產(chǎn)。
采用后高抽巷治理綜放面頂板初次垮落階段瓦斯不穩(wěn)定涌出技術(shù)，從根本上解決了綜放面初采期間瓦斯超限引發(fā)停產(chǎn)的次數(shù)和時(shí)間，消除了初采期間瓦斯超限對(duì)安全生產(chǎn)的威脅。
2.4、初采期間瓦斯治理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析
綜放工作面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出治理技術(shù)，已經(jīng)在集團(tuán)公司所有綜放面推廣，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益比較明顯。主要是采用這項(xiàng)技術(shù)后，減少了回風(fēng)巷埋設(shè)的一趟380×3mm的瓦斯管，利用高抽巷抽放負(fù)壓進(jìn)行抽放，也減少了移動(dòng)瓦斯抽放泵設(shè)備費(fèi)用及泵站設(shè)置掘進(jìn)工程費(fèi)用，消除了綜放面初采期間老頂初次垮落階段瓦斯不穩(wěn)定涌出造成的瓦斯超限停產(chǎn)的不安全影響，使工作面日推進(jìn)速度明顯提高，產(chǎn)量明顯提高，利用落山角附近布置的偽傾斜后高抽巷，還可減少了因在切巷外布置造成的煤柱損失，集團(tuán)公司按每年18個(gè)綜放工作面計(jì)算，則年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益為46375.2萬元。其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益特別顯著。
3、結(jié)論
陽煤集團(tuán)是在研究了綜放面上覆巖層卸壓活動(dòng)規(guī)律、以及與之相應(yīng)的瓦斯涌出規(guī)律后，由逐步一個(gè)工作面小規(guī)模試驗(yàn)，然后通過分析改進(jìn)，再通過4～6個(gè)工作面大規(guī)模試驗(yàn)，得到了綜放面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出的來源和規(guī)律，利用中低位后高抽巷和小斷面?zhèn)蝺A斜后高抽巷，抽放初采期間近距離鄰近層瓦斯，解決了多年來綜放面初采期在頂板初次垮落階段瓦斯不穩(wěn)定涌出造成頻繁瓦斯超限對(duì)安全生產(chǎn)的影響。為綜放面年產(chǎn)達(dá)到400萬噸/年水平的生產(chǎn)能力，提供了可靠的技術(shù)保障。
在采用U+I、U型通風(fēng)方式并利用走向高抽巷抽放鄰近層瓦斯的綜放工作面，都可采用偽傾斜后高抽巷，來解決高瓦斯煤層綜放工作面初采期間老頂初次垮落過程瓦斯不穩(wěn)定涌出超限問題。
參考文獻(xiàn)： 《煤礦安全新技術(shù)》煤炭工業(yè)出版社
《陽泉高瓦斯易燃煤層綜放面瓦斯綜合治理技術(shù)》陽煤集團(tuán)技術(shù)報(bào)告
作者簡(jiǎn)介：游 浩 陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總工程師、高工
趙長(zhǎng)春 陽煤集團(tuán)技術(shù)中心通風(fēng)與瓦斯研究所所長(zhǎng)、高工
陽泉綜放工作面初采期間瓦斯不穩(wěn)定涌出治理技術(shù)
游 浩 陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總工程師
趙長(zhǎng)春 陽煤集團(tuán)技術(shù)中心通風(fēng)與瓦斯研究所所長(zhǎng)
2007年5月10日
