高瓦斯易燃煤層綜放面瓦斯治理技術(shù)研究

　　摘　要　介紹了陽泉礦區(qū)在高瓦斯易燃煤層采用綜放 開采工藝條件下，利用“U+I”型通風(fēng)方式，配合頂板走向高抽巷抽放上鄰近 層瓦斯綜合治理的技術(shù)，使工作面實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)200萬t的生產(chǎn)能力的試驗(yàn)情況以及瓦斯治理效 果。
　　關(guān)鍵詞　　高瓦斯易燃煤層　瓦斯抽放　瓦斯治理　陽泉礦區(qū)
　　 陽泉是全國聞名的高瓦斯礦區(qū)，陽煤集團(tuán)6個礦均為高瓦斯礦，其中兩個礦為煤 與瓦斯突出礦井，綜放工作面瓦斯絕對涌出量一般16.26～65.16 m3/min，煤層 存在 自然發(fā)火危險，若不能采取有效的治理瓦斯、防治自然發(fā)火的技術(shù)措施，稍有疏忽就會釀成 大患。受此制約，陽煤集團(tuán)90年代綜放面產(chǎn)量一直徘徊在100萬t，最好的也僅產(chǎn)150萬t 。因此，要想進(jìn)一步發(fā)揮綜放工作面高產(chǎn)高效的作用，就必須在瓦斯治理方面取得新的突破 ，并且還必須在治理瓦斯的同時解決煤層自然發(fā)火的問題。
為此，2000年陽煤集團(tuán)以綜放面年產(chǎn)200萬t為起點(diǎn)，對瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究，決定在 一礦81002工作面采用以“U+I”型通風(fēng)方式，配合頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯的綜合治理技術(shù)。
　　1　試驗(yàn)工作面概況
　　81002工作面走向長1319m，傾斜長180m，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，平均煤厚7.09m,預(yù) 計瓦斯涌出量40 m3/min以上，煤層有自然發(fā)火傾向。工作面采用ZFSB4200－1.7／2.8型 低 位放頂煤支架,AM-500采煤機(jī),前后工作面刮板輸送機(jī)為SGZ-764/500和SGZ-764/630型,割煤 高度2.5m,采用兩采一放,截深0.6m,一次循環(huán)1.2m,四六制作業(yè)。
　　2　工作面布置方式
　　2.1　通風(fēng)方式
　　81002工作面采用“U+I”型通風(fēng)方式，一進(jìn)兩回布置，進(jìn)回風(fēng)巷沿煤層底板布置，采用鐵棚 支護(hù)，斷面為9m2；內(nèi)錯尾巷水平距回風(fēng)巷10m,沿15號煤層頂板布置,采用錨桿支護(hù),巷道 斷面8m2,用于解決工作面回風(fēng)落山角瓦斯問題。
　　2.2　抽放方式
　　工作面抽放方式采用頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯。多年來對綜放工作面頂板巖石 活動規(guī)律的研究表明，工作面開采過后，采空區(qū)內(nèi)的頂板巖石破壞過程可分為“三帶”，即 冒落帶、卸壓帶和彎曲下沉帶。抽放通道的布置層位應(yīng)處于卸壓帶范圍內(nèi)，卸壓帶范圍內(nèi)的 頂板巖石活動是一個循環(huán)動態(tài)過程，從瓦斯涌出規(guī)律和抽放效果來看，這一過程分為三個階 段，稱為頂板卸壓開始期、卸壓活躍期和卸壓衰退期。
　　頂板卸壓開始期為工作面頂板開始活動直到直接頂垮落、老頂開始離層這一階段。范圍為工 作面前方5m至采空區(qū)后25m，這一階段的冒落高度為頂板以上12.5～18m。
　　頂板卸壓活躍期為老頂離層加劇開始冒落到逐漸被壓實(shí)這一階段。范圍為工作面采空區(qū)25～ 129m，這一階段的冒落高度為頂板以上27.5～40.5m。
　　頂板卸壓衰退期為冒落巖石逐漸被壓實(shí)到采空區(qū)壓實(shí)區(qū)這一階段。范圍為工作面采空區(qū)129m 以后，這一階段的冒落高度為頂板以上40.5 ～ 68.3m。實(shí)際上此范圍破碎頂板由于逐漸壓 實(shí)，頂板冒落帶與裂隙帶已無明顯分界，冒落巖石呈有序排列并不破壞。
　　以上分析表明，理想的抽放段為頂板卸壓活躍期，抽放通道布置層位為工作面頂板40.5m 以上。如圖1所示。
2.3　走向高抽巷布置參數(shù)
走向高抽巷布置參數(shù)選擇，除了應(yīng)考慮布置在冒落帶以上以外，還應(yīng)考慮布置在鄰近層密集 區(qū)，以便有效地抽放鄰近層的瓦斯。因此，走向高抽巷布置層位確定為自工作面頂板以上43 .8m處的12號煤層中。該層位為上鄰近層9、10、11、12、13號煤和K2、K3灰?guī)r密集儲集瓦斯 層段。走向高抽巷距回風(fēng)巷水平距離40m,走向高抽巷終端距切巷5m，走向高抽巷斷面5m3 。其布置方式如圖2所示。
　　圖1　影響瓦斯抽放的頂板巖石卸壓三個階段示意圖 （略）
　　圖2　81002工作面巷道布置平面、剖面圖（略）
　　3　走向高抽巷抽放瓦斯效果分析
　　3.1　 工作面開采期間瓦斯涌出情況
　　81002工作面初采推進(jìn)到10m以前，由于直接頂尚未斷裂，頂板未卸壓，工作面的瓦斯主要來 源于本煤層割煤和放煤過程中，其絕對瓦斯涌出量3.75 m3/min。隨著工作面的逐漸推進(jìn) ， 直接頂逐漸冒落，頂板開始卸壓，工作面推進(jìn)到17m時，瓦斯涌出量增大到14.34m3/min， 工 作面瓦斯出現(xiàn)第一次高峰，大量瓦斯通過內(nèi)錯尾巷排出。當(dāng)工作面推進(jìn)到24～34m時，直接 頂垮落，老頂開始活動，高抽巷開始抽出瓦斯，抽出量達(dá)到14.66～31.8 m3/min，工作面 瓦 斯涌出量增大到43.42 m3/min，出現(xiàn)第二次高峰，當(dāng)工作面推進(jìn)34m以后，老頂開始垮 落 ，高抽巷大量抽出瓦斯，工作面風(fēng)排瓦斯量穩(wěn)定在10 m3/min左右。見圖3和表1所示。 
　　圖3　工作面初采頂板卸壓高度、推進(jìn)度與瓦斯涌出關(guān)系圖（略）
　　圖4　 81002工作面抽放量、抽放濃度與推進(jìn)度的對比圖（略）
　　3.2　 瓦斯抽放率分析
　　81002工作面開采至24m后，高抽巷開始抽出瓦斯，抽出量14.66m3/min，工作面開采至34m 時 ，走向高抽巷抽放瓦斯量達(dá)到31.8 m3/min。在工作面整個開采期間，高抽巷抽放濃度為2 7.6%～48.4%，最大抽放瓦斯量51.47 m3/min，平均抽放瓦斯量33.7 m3/min。見表2所示。
　　工作面瓦斯抽放量與抽放濃度在工作面開采期間，與工作面推進(jìn)速度關(guān)系不明顯，與高抽巷 的布置層位關(guān)系密切，根據(jù)綜放工作面上覆巖層活動規(guī)律的研究結(jié)果，走向高抽巷布置層位 在距15號煤頂板43m左右的12號煤層中，該位置處于破壞冒落帶（40.5m）和裂隙帶的過渡層位附近，易于與采空區(qū)連通，所以其抽放濃度較低，在工作面整個開采期間，高抽巷的抽放濃度始終在27.6%～48.4%之間變化，如圖4所示。而走向高抽巷布置在距開采 層50m以上的其它綜放工作面抽放濃度均在60%～80%左右，因此，高抽巷的布置層位應(yīng)處于 頂板冒落高度1～1.5倍采高以上為宜。
　　表1　 81002工作面風(fēng)排、抽放瓦斯量（略）
　　表2　81002 工作面走向高抽巷抽放效果（略）
　　 表281002工作面走向高抽巷抽放效果。工作面抽出率：〖BP)〗 81002工作面在開采期間，由于抽放的濃度較低，為了提高工作面的抽出率，只有加大抽放 量。因此，只有合理地調(diào)節(jié)抽放負(fù)壓才能保證工作面的抽放量。81002工作面在開采過程中 ，根據(jù)工作面推進(jìn)速度適當(dāng)調(diào)節(jié)抽放濃度取得了很好的效果。
工作面推進(jìn)度　　　　抽放負(fù)壓
S＜1m/日　　　　　　1～5kPa
S=1～2m/日　　　　　5～9kPa
S＞1m/日　　　　　　9～14kPa
　　總之，在工作面走向高抽巷布置層位偏低的情況下，通過合理選擇與調(diào)節(jié)抽放負(fù)壓，有 效地提高了工作面的抽放混合瓦斯量，保持了良好的瓦斯抽放效果，鄰近層抽出率達(dá)到了82 .1%。　　
　　4　工作面內(nèi)錯尾巷排放瓦斯效果分析
　　由表1可知，81002工作面平均瓦斯涌出量為44.8m3/min,其中風(fēng)排瓦斯量11.1m3/min， 占總 量的24.78%。在風(fēng)排瓦斯量中，回風(fēng)巷排放了2.89～5.57m3/min,平均4.35m3/min,占風(fēng) 排總 量的39.19%；內(nèi)錯尾巷排放瓦斯量3.74～8.64m3/min，平均為6.75m3/min，占風(fēng)排總量 的60 .81%。由此可知，由于內(nèi)錯尾巷處于工作面落山角上部有利部位，有效地控制了工作面除高 抽巷抽放以外的采空區(qū)瓦斯，大大減輕了工作面回風(fēng)風(fēng)排瓦斯的負(fù)擔(dān)。同時也改變了“U” 型 通風(fēng)方式下，回采工作面落山角處于唯一高負(fù)壓區(qū)的狀態(tài)，從根本上解決了綜放工作面回風(fēng) 落山角瓦斯超限問題。
　　在初采期間，當(dāng)工作面推進(jìn)17m時，瓦斯涌出出現(xiàn)第一次高峰，風(fēng)排瓦斯量達(dá)到14.34 m3/ m in,當(dāng)時工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.4%,落山角瓦斯?jié)舛?.5%,尾巷瓦斯?jié)舛?.5%,第一次瓦斯涌出 高峰沒有對工作面產(chǎn)生任何影響；當(dāng)工作面推進(jìn) 24m時，瓦斯涌出出現(xiàn)第二次高峰，走向高 抽巷開始抽出瓦斯，工作面總瓦斯涌出量43.42 m3/min,其中抽放量14.66 m3/min,風(fēng)排 瓦斯 量短時間達(dá)到28.76m3/min,當(dāng)時工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.8%,落山角瓦斯?jié)舛?.3%,內(nèi)錯尾巷 瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)144min超過3%,尾巷瓦斯遙測斷電儀斷電停產(chǎn)。此后，高抽巷抽放量逐步增加， 風(fēng)排瓦斯量逐步減少，尾巷瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下。當(dāng)工作面推進(jìn)到34m時，瓦斯涌出出現(xiàn) 第三次高峰，此時，高抽巷抽放達(dá)到正常抽放量，風(fēng)排瓦斯量減少到0.7%以下，尾巷瓦斯?jié)?度降至1%～2.5%，第三次瓦斯涌出高峰也沒有對工作面產(chǎn)生任何影響，初采結(jié)束。 
　　81002綜放工作面的初采情況表明，走向高抽巷布置在12號煤層中，雖然對整個工作面抽放 濃度有一定的影響，但對解決初采期瓦斯具有明顯效果，工作面推進(jìn)24m時就開始抽出瓦斯 ，和布置在10號煤層中的高抽巷相比，始抽距離提前10m 以上。由于工作面布置了內(nèi)錯尾巷 ，初采期間大量瓦斯均從內(nèi)錯尾巷排放，工作面回風(fēng)和落山角沒有發(fā)生瓦斯超限，內(nèi)錯尾巷 僅短時間出現(xiàn)瓦斯超限，在整個初采期間，通過合理調(diào)節(jié)工作面回風(fēng)巷和尾巷風(fēng)量，使尾巷 瓦斯始終保持在較低的水平。 
　　5　綜放工作面安全情況分析
　　81002綜放工作面走向高抽巷，控制了上鄰近層82.1%的瓦斯向生產(chǎn)空間涌出；內(nèi)錯尾巷分擔(dān) 了工作面風(fēng)排瓦斯量的60.1%，由于其綜合作用，81002工作面在正常生產(chǎn)期間，回風(fēng)巷風(fēng)流 瓦斯?jié)舛纫话阍?.3%～0.7%，回風(fēng)落山角瓦斯?jié)舛纫话阍?.5%～1.0%左右，尾巷瓦斯?jié)舛纫?般 在1.0%～2.5%左右，除初采期發(fā)生過短時間尾巷瓦斯超限以外（其他工作面采用中低位后高 抽巷已完全解決了初采期瓦斯問題），已從根本上解決了綜放工作面瓦斯問題。為綜放工作 面安全生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件，同時也取消了外部局扇稀釋回風(fēng)落山角瓦斯的辦法，工作面也 從未發(fā)生煤層自然發(fā)火征兆。使得81002工作面年產(chǎn)創(chuàng)造了201萬t的公司最高記錄，平均月 產(chǎn)達(dá)到167500t，最高月產(chǎn)達(dá)到224123t，為集團(tuán)公司在高瓦斯易燃煤層的條件下，闖出了一 條適宜綜放工作面高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的新路。
　　6　結(jié)論
綜放工作面頂板走向高抽巷布置在距15號煤層43m的2號煤層中，抽放負(fù)壓保持在0.98～13.7 kpa時，抽放濃度在27%～50%左右，平均41%，抽放瓦斯量10.76～51.47m3/min，平均33.7 m3 /min，占工作面瓦斯涌出總量的75.22%，有效地控制了上鄰近層瓦斯向工作面開采空間的涌 出，在瓦斯治理過程中起到了決定性作用。適當(dāng)提高走向高抽巷的布置層位，可有效提高抽 放濃度和抽放量?！　【C放工作面采用“U+I"型通風(fēng)方式，內(nèi)錯尾巷風(fēng)排瓦斯量平均6.75 m3/min，占總排風(fēng)量 的 60.81%，有效地控制了工作面采空區(qū)瓦斯向回風(fēng)落山角的積聚，減輕了回風(fēng)巷排放瓦斯的負(fù) 擔(dān)，從根本上解決了綜放工作面回風(fēng)落山角瓦斯超限問題。
　　走向高抽巷、內(nèi)錯尾巷的布置方式，減少了采空區(qū)的漏風(fēng)通道，克服了外錯尾巷、傾斜高抽 巷易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火的弊端。
　　81002工作面治理瓦斯的效果證明,頂板走向高抽巷配合"U+I"型通風(fēng)方式,在高瓦斯、易燃煤 層條件下,使得81002工作面年產(chǎn)創(chuàng)造了201萬t的公司最高記錄，使綜 放開采這一高產(chǎn)高效工藝在高瓦斯易燃煤層中得到徹底解放，2001年產(chǎn)量202萬t，2002年上 半年132萬t，預(yù)計年產(chǎn)能突破250萬t以上。