炮采放頂煤工作面瓦斯治理研究

鄭 雷 周連春 王雪芹

(1.烏海職業技術學院,內蒙古 016000;2.神華烏海能源有限責任公司,內蒙古 016000;3.內蒙古科技大學礦業工程學院,內蒙古 014010)

1 工作面概況

鶴壁中泰礦業有限公司位于鶴壁礦區北中部分,煤層平均厚度為8m,工作面自采用放頂煤開采工藝以來,基本達到了高產、高效的目的。由于該工作面位于煤與瓦斯突出危險區,煤與瓦斯突出問題成為制約安全生產的首要因素,因此治理煤與瓦斯突出問題刻不容緩。

21301工作面為炮采放頂煤工作面,該工作面東以21301下順槽為界與4F37斷層相鄰,南以切眼為界與2118采空區相鄰,西以21301上順槽為界與21281采空區相鄰,北以設計停采線為界與21301邊切眼相鄰。該工作面平均推進長度270m,上順槽長402m,下順槽長371m平均煤厚5～6m,工作面平均長度65m,煤層傾角13～20°,工作面煤塵爆炸指數為15.87%。

2 瓦斯含量影響因素

煤層瓦斯含量是一定量煤中所含有的瓦斯量,它是煤層的基本瓦斯參數,是計算瓦斯蘊藏量、預測瓦斯涌出量的重要依據。瓦斯的形成和保存、運移與富集,同地質條件有密切關系,并受到地質條件的制約。對于不同區域、不同煤田或不同塊段,影響瓦斯賦存的地質條件存在著差異,起主導作用的因素也有區別,經研究分析影響該礦井煤層瓦斯含量的因素有以下五方面：

(1)煤層的埋藏深度對瓦斯含量的影響

煤層的埋藏深度增加不僅加大了地應力,使煤層與巖層的透氣性變差,而且加大了瓦斯向地表運移的距離,有利于瓦斯的儲存。在不受地質構造影響的區域,當深度不大時,煤層的瓦斯含量隨深度呈線性增加,當深度很大時瓦斯含量趨于常量。

(2)圍巖性質對瓦斯含量的影響

煤層圍巖主要指煤層直接頂、老頂和直接底板等在內的一定厚度范圍的層段。煤層與圍巖的透氣性對煤層瓦斯含量有很大影響,其圍巖透氣性越大、煤層瓦斯越容易流失、瓦斯含量越小;反之,瓦斯易于保存,煤層瓦斯含量大。本區主采的煤層頂板為粉砂質泥巖、細砂巖,裂隙不發育,透氣性差,封閉瓦斯較好,煤層內賦存的瓦斯相對較高,含量較大。

(3)煤層厚度及變質程度對瓦斯含量的影響

區內主采煤層以光亮-半亮型煤為主,厚度變化不大,其對瓦斯的賦存及分布影響不大。煤種單一,變質程度較高,生成的瓦斯量較多。其主要原因為：第一,煤層瓦斯的產出量直接依賴于煤化程度;第二,隨著變質程度的加深,煤的氣體滲透率下降,氣體沿煤層向地表方向運移也就更慢;第三,變質程度越高,煤的吸附能力越大,煤層中便于更多的氣體賦存。

(4)煤層傾角對煤層瓦斯含量的影響

煤層傾角大時,瓦斯可沿著一些透氣性好的地層向上運移和排放,瓦斯含量低;反之,煤層傾角小時,一些透氣性差的地層就起到了封存瓦斯的作用,使煤層瓦斯含量升高。本礦煤層傾角為多為9～15°,只有在西翼和東北翼的煤層傾角較大,為25～40°。故不利于瓦斯的排放,利于瓦斯的賦存。

(5)含煤巖系沉積環境和圍巖特征對瓦斯含量的影響

瓦斯主要形成于煤層,而煤層的賦存和分布與聚煤期有著密切的關系。聚煤沉積環境控制了煤層的原始分布,煤厚及其變化又受沉積環境的制約,同時聚煤前的沉積環境與聚煤后的沉積環境及其演化環境影響著煤層下伏及上覆地層的巖性、巖性組合及其厚度變化,所以說沉積環境對瓦斯區域分布、瓦斯的圈閉、保存和逸散均有重要影響。

含煤巖系的建造特征是瓦斯形成和保存的基礎條件。海陸交互相含煤系,往往巖性與巖相在橫向上比較穩定,沉積物粒細,煤系地層的透氣性差,這種煤層的瓦斯含量高,陸相沉積與此相反,煤層瓦斯含量一般較低。該礦井含煤巖系龍潭組系海陸交互相含煤建造,聚煤期前后平靜水體環境沉積的細碎屑巖、油頁巖、硅質巖及泥灰巖等地層,巖性致密或具有膨脹性能,透氣性差,致使煤層中的瓦斯沿法向透氣性不利于瓦斯逸散。并且該區主采煤層4#煤層為絲質暗亮煤,6#煤層為絲質亮煤,鏡煤和亮煤質地均勻而性脆,在后期構造運動影響下,容易破碎成棱角狀小塊,增加煤的表面積,有利于瓦斯儲集。

3 煤層瓦斯突出性評價

煤層瓦斯含量具有不均勻性,受地應力、瓦斯壓力及地質構造的影響與控制。工作面機巷掘進過程中按參數測定要求,在該區巷道系統范圍內運用測壓鉆孔取樣了4#煤層、6#煤層的原始瓦斯壓力,瓦斯放散初速度△P,孔隙率,煤的破壞類型以及煤的堅固性系數f,測定結果見表1。

表1 煤層瓦斯參數測定表

由突出危險煤層危險性綜合指標 K和D的計算公式

式中

K——煤層的突出危險性綜合指標;

D——煤層的突出危險性綜合指標;

H——開采深度,m;

P——煤層瓦斯壓力,取兩個測壓鉆孔實測瓦斯壓力的最大值,MPa;

△P——軟分層煤的瓦斯放散初速度指標;

f——軟分層煤的平均堅固性系數。

利用表1的值,及該區段煤層的最大瓦斯壓力(1.27MPa)計算得 K分別為34.8和72.4,均遠遠大于臨界值15,D值分別為4.32和7.97,均遠遠大于臨界值0.25,由此來看,該區域煤層具有嚴重突出危險性。

4 煤層瓦斯可抽性評價

瓦斯抽放指標是用來衡量煤層瓦斯抽放難易程度的參數,常用的有煤層透氣性系數和鉆孔瓦斯流量衰減系數。

原煤炭工業部發布的《煤礦瓦斯抽放規范》AQ1027-2006,將未卸壓的原始煤層的抽放難易程度劃分為：容易抽放、可以抽放、較難抽放三種類型,并規定了相應的取值范圍 (表2)

表2 煤層預抽瓦斯難易程度分類表

(1)根據煤層透氣性系數評價

煤層透氣性系數評價抽放難易程度最直觀,應用也最普遍,煤層透氣性系數大,則容易抽放;煤層透氣性系數小,則難于抽放。

4#煤層、6#煤層的透氣性系數均在10m2/MPa2·d～0.1m2/MPa2·d范圍內,屬于可以抽放煤層。

(2)根據鉆孔瓦斯流量衰減系數評價

鉆孔瓦斯流量衰減系數是表示鉆孔瓦斯流量隨時間延長而呈衰減變化的系數,其流量按負指數函數規律衰減。衰減系數的測定方法比透氣性系數簡單,但計算出的數據不夠精確,往往與煤層實際情況不相符合。衰減系數大,則表示抽放困難;衰減系數小,則表示抽放容易。由《礦井瓦斯抽放管理規范》的分類,根據表2,4#煤層、6#煤層的鉆孔瓦斯流量衰減系數均在0.005～0.05范圍內,按此分類指標,均應屬于可以抽放煤層。

5 采煤工作面瓦斯涌出分析

5.1 生產工序與瓦斯涌出量的關系

生產工序對工作面的瓦斯涌出影響較大,研究表明,采面瓦斯涌出與機組工作狀態和位置有密切關系,當采煤機從回風側向進風側割煤時,采面瓦斯涌出量逐漸減小。生產班各工序 (割煤、推溜、放頂等)之間雖有滯后時間,但要想嚴格區分各種工序對瓦斯涌出的影響是很難做到的,只能從宏觀上對生產班和檢修班的瓦斯涌出進行對比。參照平頂山礦區的工作面分析結果,實施采煤工作面生產班平均瓦斯涌出量是檢修班的1.2～1.3倍。

5.2 時間與瓦斯涌出量的關系

采煤工作面瓦斯涌出量是一個隨地質條件、煤層賦存狀態、煤及圍巖瓦斯含量、煤及圍巖透氣性系數、開采規模及開采工藝等因素變化的多元函數。但在一個相對短的時間內 (周圍環境各因素不變的情況下),它主要隨時間而變化。從圖1我們可以看出,采煤工作面絕對瓦斯涌出量隨時間是一個波浪式變化曲線,沒用明顯的規律特征,表明實際瓦斯涌出量是一組非穩定的、波動性較大的數據。

表3 工作面絕對瓦斯涌出量與產量表

圖1 工作面絕對瓦斯涌出量與日產量圖

5.3 配風量與瓦斯涌出量的關系

采煤工作面瓦斯來源于開采層瓦斯和采空區瓦斯。開采層瓦斯又主要來源于工作面煤壁和采落下來的煤塊瓦斯涌出。采空區的瓦斯,一方面來源于遺留于采空區的殘煤,另一方面更主要來源于僅次于開采層上、下數十米相鄰的可采層、不可采層或富含瓦斯的圍巖。

若采煤工作面瓦斯主要來自開采層,當采煤工作面配風量改變時,由于本煤層瓦斯涌出不隨配風量的增減而變化,則回風巷風流中瓦斯濃度將隨采煤工作面配風量的增減而發生變化,即采煤工作面配風量增加時回風巷瓦斯濃度降低,采煤工作面配風量減少時回風巷瓦斯濃度增高。

若采煤工作面瓦斯主要來自采空區,這時增加或減少采煤工作面配風量可以變更采空區瓦斯積聚條件,使得漏風風流從采空區帶到回風巷或采煤工作面附近的瓦斯量發生變化。當采煤工作面配風量增加時,從采空區帶出的瓦斯量增加,當采煤工作面配風量減少時,從采空區帶出的瓦斯量降低,回風巷風流中瓦斯濃度的升降與采面配風量的增減并不成反比。這就是說,開采近距離煤層群中的主采煤層時,在采面工作面的瓦斯涌出中,只有采空區瓦斯涌出與采煤工作面配風量之間的關系比較密切。所以,風量過小,上隅角會超限;但風量過大,造成采空區瓦斯涌出量大,同樣亦造成回風流和上隅角瓦斯超限。就該礦井而言,在采煤工作面實際配風中發現,增加風量并不能使回風巷瓦斯濃度降低,主要就是因為在開采近距離煤層群中的主采煤層時,采面回風流中的瓦斯涌出62%來自采空區和不可采煤層及上、下鄰近層。表4和圖2是21301工作面2007年3月至2007年12月絕對瓦斯涌出量與配風量之間關系的實測曲線圖表。

表4 絕對瓦斯涌出量與配風量關系

圖2 絕對瓦斯涌出量與配風量

5.4 周期來壓前后瓦斯涌出量的變化

從采面開切眼回采起,隨采面的推進,煤層頂板巖梁跨度逐漸增加,當達到極限跨度時,頂板巖梁斷裂來壓,這一過程周而復始,產生頂板周期來壓的動力現象。

通過觀測數據的統計分析表明,周期來壓時,回風巷瓦斯有明顯升高,工作面總的瓦斯排放量增加通常在30%～50%之間,特別是在老頂垮落時,工作面瓦斯排放量增加值達到最高,持續時間約在30～60min。工作面上隅角的瓦斯濃度是平時的2～3倍,這是由于來壓后造成高濃度的瓦斯從采空區壓出的緣故。頂板周期來壓破壞了采場的應力狀態和煤體結構,使煤層的孔隙率及透氣性發生了變化。所以頂板周期來壓時出現的周期性變化制約了瓦斯流速,導致瓦斯涌出量的周期變化。回采工作面頂板周期來壓與瓦斯涌出量呈周期性變化交替進行,其步距基本相同,且頂板周期來壓超前于瓦斯涌出量周期性變化,一般瓦斯涌出量峰值滯后于采場壓力峰值8～16h。

6 順層鉆孔瓦斯抽放

順層鉆孔的鉆場位于開采煤層中,抽放鉆孔沿煤層布置,鉆孔間可經相互平行,也可經相互交叉。順層鉆孔的優點在于：鉆孔在煤層中均勻分布,抽放效果好;工作面回采到鉆孔時,可以實現卸壓抽放,鉆孔利用率高,施工成本低。其缺點是：鉆孔平行于煤層的層理面,影響抽放效果,在松軟煤層中施工抽放鉆孔容易出現垮孔卡鉆等,施工困難,煤層中封孔困難,影響到抽放瓦斯濃度。結合試驗礦井現場條件,經過技術和經濟比較,確定采用順層鉆孔瓦斯抽放消除工作面煤層突出危除性。

6.1 順層鉆孔布置

21301工作面運輸槽共施工順層鉆孔46個,依據現場地質條件鉆孔間距為8～16m,平均孔深約70m,孔徑為80mm,封孔深度6.5m,較嚴重突出危險區施工鉆孔24個,平均間距5m。順層鉆孔施工完畢后,及時實施封孔,并進行瓦斯抽放,基于煤層封孔的實際,孔口抽放負壓一般控制在16kPa左右。

6.2 考察結果與分析

(1)現場試驗結果表明,通過合理布置鉆孔參數,利用順層鉆孔預抽煤層瓦斯量為 0.81～1.46m3/min,平均單孔抽放量為0.0327m3/min,在整個抽放過程中,抽排瓦斯量較穩定,但抽排瓦斯濃度不高,平均濃度為17%左右,主要是是封孔不嚴所致。

(2)經過瓦斯抽放,在工作面先期較嚴重危險區回采時,實際煤層瓦斯預抽率達到31.8%,大于《防治煤與瓦斯突出細則》對于沒有實測資料的礦井提出的預抽率參考指標25%,從防突角度,煤層順層鉆孔預抽達到了預期效果。

(3)采取預抽措施后,工作面回采過程中部分檢測鉆孔瓦斯涌出速度、孔最大鉆屑量指標。經檢測,預測指標降到了臨界值以下,在該區域的回采過程中沒有發生突出及明顯的瓦斯動力現象,表明工作面通過采取順層長鉆孔瓦斯預抽后,煤層突出危險性基本上消除了。

7 結論

通過對放頂煤工藝特點的分析,對于突出煤層,在用區域性防突措施消除回采煤層的突出危險性后即可實現放頂煤工藝安全回采。同時,在沒有保護層開采條件下,順層鉆孔預抽煤層瓦斯是經濟、可行的區域性防突措施。

[1] 防治煤與瓦斯突出細則.北京：煤炭工業出版社.1995年3月.

[2] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理示范工程.北京：煤炭工業出版社.2004年4月,P1-15.

[3] 龍祖根.采空區瓦斯涌出量與采面配風量的關系淺析.貴州煤炭,1996年.第2期：P18-22.

[4] 牛全杰.采場壓力對瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出的影響.中州煤炭,2000年.第5期：P39-40.