高瓦斯自然煤層深部新水平首采工作面
瓦斯涌出特征及治理技術(shù)研究
邊俊國
陽泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司
二〇〇七年五月十日
高瓦斯自燃煤層深部新水平首采工作面
瓦斯涌出特征及治理技術(shù)研究
摘 要 本文就陽泉礦區(qū)高瓦斯自燃厚煤層在新水平首采K8206工作面，從初采期瓦斯治理，煤質(zhì)松軟滾幫塌頂治理，抽放系統(tǒng)不完善采取對策，過構(gòu)造區(qū)瓦斯涌出特征，防治自燃發(fā)火措施和上部解放層的瓦斯情況，按時(shí)間順序分別論述了各個(gè)階段的特征及采取的對策。通過分析，揭示出厚煤層首采面各種因素對通風(fēng)瓦斯的影響程度，認(rèn)識到大采長大走向高產(chǎn)高效工作面的瓦斯涌出規(guī)律。本煤層瓦斯影響程度相對較大，但關(guān)鍵還是解決鄰近層瓦斯。提出建議，應(yīng)從完善通風(fēng)系統(tǒng)、抽放系統(tǒng)上作文章，同時(shí)靈敏準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測系統(tǒng)是安全的第二道防線，并將該面作為陽泉礦區(qū)高產(chǎn)高效瓦斯治理技術(shù)試驗(yàn)面和首個(gè)上行開采試驗(yàn)面。
關(guān)鍵詞 高瓦斯自燃煤層 瓦斯涌出特征 治理技術(shù)
陽煤集團(tuán)為探索高產(chǎn)高效集中生產(chǎn)的路子和瓦斯治理技術(shù)途徑，在陽煤三礦15#煤擴(kuò)二區(qū)設(shè)計(jì)了大采長大走向工作面，采用了國內(nèi)先進(jìn)的ZF6200—1.7/3.2型低位放頂部液壓支架，SGI—1000/1400型運(yùn)輸溜，在開采過程中受到許多地質(zhì)條件、通風(fēng)瓦斯的影響，走了曲折坎坷的探索之路。
一、工作面概況
1、地質(zhì)概況
陽泉煤業(yè)集團(tuán)煤系地層屬石炭二疊系的太原組和山西組，自上往下排列共有15層煤，其中3#煤和15#煤為主采煤層。
陽煤集團(tuán)三礦15#煤擴(kuò)區(qū)首采的工作面為K8206，所采15#煤屬高瓦斯煤層和Ⅲ級自燃發(fā)火煤層，凈煤厚6.71米，煤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含三層主要夾石，煤堅(jiān)硬系數(shù)0.5—2.0，大部分煤質(zhì)松軟。
15#煤上覆可采煤層為12#煤、3#煤，其余為局部不可采煤層，15#至12#煤層間距45米，12#煤未采，屬高瓦斯煤層。15#煤至3#煤層間距140米，3#煤局部已采，屬高瓦斯突出煤層。
K8206工作面整體為單斜構(gòu)造，順槽口高，工作面低，煤層等高線為580—510米，蓋山厚度平均520米。
2、工作面通風(fēng)概況
K8206工作面有效走向長1580米，采長252米。工作面布置四條通風(fēng)巷道，分別是工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)尾巷、走向高抽巷。進(jìn)回風(fēng)巷布置在煤層下部，內(nèi)錯(cuò)尾巷布置在煤層上部，平行回風(fēng)巷與回風(fēng)巷水平距離28米，走向高抽行布置在距15#煤51米以上的11#煤巖層中，11#煤厚0.1米，大部分尖滅。同時(shí)布置偽傾斜高抽巷，解決初采瓦斯，具體見K8206工作面布置圖（圖1）。
工作面掘進(jìn)期間最大瓦斯涌出量為4.73立方米/分鐘，預(yù)計(jì)回采期間絕對瓦斯涌出量最大120立方米/分鐘，工作面計(jì)劃配風(fēng)量1525立方米/分鐘。
二、工作面瓦斯涌出特征及防治技術(shù)
1、初采期瓦斯涌出量異常
K8206工作面于2006年1月1日正式試生產(chǎn)，工作面入風(fēng)1572立方米/分鐘，初采4天推進(jìn)8米，工作面風(fēng)流瓦斯經(jīng)常達(dá)到1.5%，機(jī)載斷電儀頻繁斷電，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)0.7%，最大0.9%。本煤層瓦斯涌出量最大為9.52立方米/分鐘，分析原因是工作面煤層松軟富含瓦斯，隨著采空區(qū)空間的加大部風(fēng)風(fēng)量漏入架后老塘造成工作面風(fēng)流瓦斯超限。解決辦法：增加風(fēng)量，通過調(diào)改風(fēng)，將入風(fēng)量增加為：2542立方米/分鐘，本煤層瓦斯問題暫時(shí)得到緩解。
隨著工作面的推進(jìn)，鄰近層瓦斯越來越大。為解決初采期鄰近層瓦斯，布置了偽傾斜高抽巷，并與巖石高抽巷貫通，但由于抽放管路長施工質(zhì)量差，漏氣量大，抽放泵站負(fù)壓小。推進(jìn)14米后，偽傾斜高抽巷抽放瓦斯9.4立方米/分鐘，濃度42%。1月29日工作面推進(jìn)42米后總抽瓦斯量為27.75立方米/分鐘，鄰近層抽出率僅為42.7%，上隅角頻繁超限，有時(shí)瓦斯持續(xù)不降，回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)尾巷瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超過規(guī)定值。風(fēng)排瓦斯總量最高時(shí)達(dá)60立方米/分鐘，為建礦以來罕見，分析原因認(rèn)為，該面本煤層瓦斯固然大，但主要還是鄰近層瓦斯影響。經(jīng)集團(tuán)公司研究決定，重新建立抽放泵，將10000余米瓦斯管進(jìn)行堵漏風(fēng)處理，提高抽放率。
2、煤層松軟破碎透氣性好加大了瓦斯涌出量
陽煤集團(tuán)15#煤層堅(jiān)固性系數(shù)一般在1.0—2.0，煤層賦存穩(wěn)定。該面初采結(jié)束后，鄰近層瓦斯抽放量增加，但由于抽放管路經(jīng)常出現(xiàn)斷裂漏氣等故障，抽放泵站不能正常運(yùn)行，改為移動泵站抽放，抽出率低是影響通風(fēng)瓦斯的主要因素之一，同時(shí)還有一個(gè)主要因素是，工作面從進(jìn)風(fēng)方向60米以后，煤層層理亂，節(jié)理發(fā)育破碎松軟，給瓦斯管理帶來不利因素。①經(jīng)常出現(xiàn)大面積滾幫、塌頂，塌頂時(shí)的瓦斯大量涌向工作面，持續(xù)較長時(shí)間才降下（見附圖二）。②在內(nèi)錯(cuò)尾巷附近塌頂造成工作面風(fēng)流短路，上隅角瓦斯積聚。處理方法，降低采高，在內(nèi)錯(cuò)尾巷前、后10米割底通過，一旦塌透，立即用風(fēng)帳木板等封堵減少漏風(fēng)。
針對滾幫塌頂?shù)膯栴}，采取了煤層注馬麗散膠體凝結(jié)加固煤體的辦法。從3月份至5月份，沿走向采松軟煤層190米，注馬麗散34噸。注馬麗散膠后，瓦斯涌出量有小幅度減少。
3、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)瓦斯涌出量大，是正常情況下的1.5—1.7倍
地面抽放泵站于2006年3月施工，于5月底建成投運(yùn)，投運(yùn)后泵站抽放量比原先增加78.6立方米/分鐘，參數(shù)對比見附表一。
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項(xiàng)目 |
地點(diǎn) |
瓦斯?jié)舛?/span> % |
負(fù)壓（mmH2O） |
混合量（m3/min） |
純瓦斯量（m3/min） |
± |
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舊泵站 |
井下高抽巷口 |
70 |
45 |
99.7 |
69.8 |
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新泵站 |
井下高抽巷口 |
45 |
220 |
329.7 |
148.4 |
﹢78.6 |
新泵站投運(yùn)后，鄰近層瓦斯抽放量是原先的2.12倍，占到總瓦斯量的（風(fēng)排瓦斯量27.81立方米/分鐘）84.2%?？墒巧嫌缃峭咚够仫L(fēng)巷瓦斯反而比原來大，超限斷電更頻繁。分析其原因主要是，5月下旬工作面進(jìn)入向斜區(qū)至7月下旬走出向斜區(qū)共計(jì)推進(jìn)約250米，這250米是該面瓦斯涌出量最大，斷電次數(shù)最多，時(shí)間最長的時(shí)期。參數(shù)見附表二。
在過構(gòu)造期間，主要采取兩項(xiàng)措施。①加大鄰近層瓦斯的抽放量和內(nèi)錯(cuò)尾巷的排放量。6月、7月份，鄰近層瓦斯平均抽放量分別是，151.6立方米/分鐘和169.5立方米/分鐘，為全年最高。②加強(qiáng)現(xiàn)場通風(fēng)瓦斯管理，做到瓦斯超限必須停止生產(chǎn)，每班校對瓦斯傳感器，每天進(jìn)行瓦斯電閉鎖試驗(yàn)，確保瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)靈敏準(zhǔn)確可靠，通風(fēng)、安檢干部跟班上崗，嚴(yán)格落實(shí)和督查有關(guān)管理措施 。
4、煤層瓦斯含量與埋藏深度成正比
K8206工作面為順槽口高，工作面低的單斜構(gòu)造，順槽口煤層標(biāo)高＋580米，工作面煤層標(biāo)高＋510米。通過與一水平K8110工作面和本工作面瓦斯涌出情況對比分析認(rèn)為：
①同一煤層不同水平瓦斯涌出量相差很大，參數(shù)見附表三
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工作面名稱 |
配風(fēng)量（m3/min） |
風(fēng)排瓦斯量（m3/min） |
鄰近層抽放量（m3/min） |
相對涌出量（m3/t） |
煤層標(biāo)高（m） |
巷道布置 |
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一水平K8110 |
800—1200 |
11.4 |
54.5 |
17.2 |
＋570—＋590 |
一進(jìn)兩回加高抽巷 |
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二水平K8206 |
1900—2500 |
23.3 |
113 |
24.5 |
＋510—＋580 |
一進(jìn)兩回加高抽巷 |
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二水平與一水平對比 |
＋1100—1300 |
2.04倍 |
2.07倍 |
＋7.3 |
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②同一工作面瓦斯涌出量隨埋藏深度而增加
從現(xiàn)場瓦斯觀測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出：工作面初采期間煤層埋藏最深，在初采集中應(yīng)力作用下，瓦斯涌出量比較大。
初采結(jié)束后，隨著煤層由低向高推進(jìn)，瓦斯量趨于下降，但進(jìn)入構(gòu)造區(qū)時(shí)（向斜軸部），瓦斯涌出量又明顯增大。
5、3#煤層采空區(qū)成為上部鄰近層的排放層，工作面瓦斯明顯降低。
上鄰近層3#煤與15#煤層間距離為140米。K8206工作面530米—1150米范圍內(nèi)對應(yīng)上覆3#煤層分別是3#煤的K7209和K7205工作面，3#煤工作面與15#煤工作面垂直布置。K7209工作面為3#煤綜采面，傾斜長150米，有效走向長850米，工作面開采推進(jìn)85米后停止采煤，作為15#煤層采過后再開采的試驗(yàn)面，已停產(chǎn)9個(gè)月。K7205和K7207為已采工作面永久封閉。當(dāng)K8206工作面推進(jìn)入K7209工作面區(qū)域后，K7209工作面的回風(fēng)巷、尾巷的瓦斯?jié)舛润E增，由原來的2.1立方米/分鐘增加到49立方米/分鐘。根據(jù)全風(fēng)壓風(fēng)排瓦斯量，認(rèn)為15#煤層采過后，其上部巖層裂縫與3#煤巷道連通，上部6#、4#、3#煤層瓦斯通過K7209回風(fēng)巷、尾巷排出。為保證3#煤K7209通風(fēng)安全，集團(tuán)公司決定將K7209工作面封閉，利用抽放系統(tǒng)抽排3#煤瓦斯。通過觀測，從K7209抽出的瓦斯?jié)舛?0%，純瓦斯量21.9立方米/分鐘。從2006年7月29日抽放后，K8206工作面抽放總量比原先略有降低，工作面瓦斯超限次數(shù)也明顯降低，至2006年11月20日停止抽放，工作面抽放量降為87立方米/分鐘，工作面瓦斯很少超限。
6、防治自然發(fā)火措施
該面所采15#煤經(jīng)鑒定為三級自燃煤層，由于受地質(zhì)、煤質(zhì)條件影響，推進(jìn)度不穩(wěn)定，為此我礦采取以下防火措施。
①合理配備風(fēng)量，保持進(jìn)回風(fēng)巷道斷面，降低通風(fēng)阻力，縮短供氧帶。
②合理通風(fēng)系統(tǒng)減少采空區(qū)漏風(fēng)，內(nèi)錯(cuò)尾巷、走向高抽巷均為正向抽排，即抽排方向與工作面推進(jìn)方向一致。
③加強(qiáng)一氧化碳、溫度的監(jiān)測分析。在回風(fēng)巷和內(nèi)錯(cuò)尾巷設(shè)置一氧化碳和溫度傳感器，通風(fēng)瓦檢人員配備一氧化碳檢定儀，檢查工作面架下一氧化碳，發(fā)現(xiàn)一氧化碳立即分析處理，同時(shí)每月提取內(nèi)錯(cuò)尾巷和高抽巷氣樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。
④放凈頂煤，減少采空區(qū)遺煤，減少煤氧化生熱量。
三、綜合分析結(jié)論
K8206工作面為陽煤集團(tuán)首個(gè)厚煤層無解放層大走向、大采長的高產(chǎn)高效面，該面的瓦斯涌出量創(chuàng)陽煤集團(tuán)建企以來最大記錄。經(jīng)過一年的反復(fù)治理研究探索，認(rèn)為：
①、大采長工作面的采長比一般工作面（采長180—200米）增加30%，但瓦斯生成量卻是一般工作面的2倍。
②、瓦斯頻繁超限，該面一年共超限907次，超限時(shí)間24059分鐘。從瓦斯超限分布和超限時(shí)間比例分析，上隅角超限時(shí)間占總時(shí)間的57.6%，回風(fēng)巷占39.2%。上隅角瓦斯大說明內(nèi)錯(cuò)尾巷和高抽巷排放能力不足，有待研究提高。
③、15#煤層隨著埋藏深度的加大，瓦斯含量也明顯加大。本煤層瓦斯量與煤層堅(jiān)固性系數(shù)成反比。本煤層瓦斯主要在初采期和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力集中帶涌出大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，初采期本煤層瓦斯是本煤層平均瓦斯量的1.6倍，軟煤層和地質(zhì)構(gòu)造是本煤層平均瓦斯量的1.2—1.6倍。
④、構(gòu)造區(qū)瓦斯涌出異常。該面2006年5月、6月、7月在構(gòu)造區(qū)開采，5月份由于抽放系統(tǒng)還不完善，抽放量小，瓦斯超限最多，時(shí)間達(dá)8547分鐘，6月、7月抽放正常后，鄰近層抽出率分別達(dá)88%、85.2%，但瓦斯超限仍然頻繁，分別是6608分鐘和4834分，過構(gòu)造區(qū)瓦斯涌出總量達(dá)到最大，過構(gòu)造區(qū)的3個(gè)月，產(chǎn)量占全年的27.7%，瓦斯超限時(shí)間占到全年的83%。
⑤、鄰近層瓦斯是制約工作面通風(fēng)瓦斯的關(guān)鍵，必須使鄰近層瓦斯抽出率高于85%，力爭達(dá)到90%以上。該面初采后，瓦斯治理的最大缺陷就是：抽放能力不足，管理系統(tǒng)故障多，依靠移動泵抽放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1—5月份抽放不正常時(shí)，鄰近層抽出率平均為62.2%，6月—12月份平均為86.1%，8月份以后的5個(gè)月瓦斯超限時(shí)間占全年的6.2%，產(chǎn)量占全年的42.8%。
四、建議
1、上隅角瓦斯主要依靠鄰近層抽放和內(nèi)錯(cuò)尾巷排放。目前大采長工作面在平行回風(fēng)巷20—30米布置一條內(nèi)錯(cuò)尾巷，不能有效排放支架后大面積采空區(qū)的瓦斯，建議增加一條內(nèi)錯(cuò)尾巷，布置在距回風(fēng)巷80—100米的范圍內(nèi)。目前陽煤集團(tuán)已進(jìn)行試驗(yàn)。
2、大采長工作面，由于采長增加采空區(qū)冒頂?shù)母叨确秶苍龃?，走向巖石抽放巷的層位和伸出參數(shù)選擇至關(guān)重要，層位應(yīng)選擇稍高或適當(dāng)縮短伸出。
3、15#煤與3#煤層間距140米，3#煤可作為15#煤上部鄰近層的抽排放層。3#煤是煤與瓦斯突出煤層，如果將15#煤層作為3#煤的解放層，待15#煤開采后再采3#煤，實(shí)行上行開采，是探索更有效防治煤與瓦斯突出的一條技術(shù)途徑。
陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 通風(fēng)部
邊俊國
二〇〇七年五月
附圖一：K8206工作面平面布置圖
附圖二：工作面塌頂時(shí)瓦斯超限趨勢圖
附圖三：瓦斯量隨煤層變化趨勢圖
附表一：新舊抽放泵站抽放量對比
附表二：2006年K8206工作面產(chǎn)量瓦斯量和斷電時(shí)間統(tǒng)計(jì)表
附表三：K8206與K8110瓦斯量對比
個(gè)人簡歷
邊俊國，男，42歲，大學(xué)學(xué)歷，通風(fēng)工程師。從1985年畢業(yè)一直在通風(fēng)區(qū)從事技術(shù)管理工作，歷任陽煤集團(tuán)三礦通風(fēng)區(qū)主任工程師、生產(chǎn)副區(qū)長、區(qū)長，礦通風(fēng)副總工程師，現(xiàn)任陽煤集團(tuán)通風(fēng)部總工程師。重點(diǎn)參與了多項(xiàng)科技項(xiàng)目并獲獎，在市級、國家級煤炭刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。
通訊地址：陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 通風(fēng)部
聯(lián)系電話：0353—7081729 13835323910
