塔山煤礦特厚煤層瓦斯立體抽采技術(shù)研究

李志偉 ，王 飛

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024；2.同煤集團(tuán) 塔山煤礦，山西 大同 37001）

塔山煤礦井田內(nèi)賦存侏羅系和石炭二疊系兩套含煤地質(zhì)構(gòu)造。侏羅系大同組為上部含煤地質(zhì)巖層，經(jīng)多年開采，煤層所剩儲量不多。二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組為下部含煤地質(zhì)巖層，可采煤層5層（自上而下分別是4號、2號、3號、5號、8號層）。地層總厚86.2～177.20 m，平均157.93 m，共含煤15層，煤層總厚38.25 m，含煤系數(shù)24%。塔山煤礦屬煤層群開采，主采煤層為3號～5號合并層，首采面投產(chǎn)后，瓦斯問題逐步凸顯，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。隨著回采的深入和產(chǎn)量的提高，絕對瓦斯涌出量逐年增加，2008年以來的鑒定批復(fù)均為高瓦斯礦井。2011年的鑒定顯示：絕對瓦斯涌出量達(dá)78.6 m3/min。并有綜放工作面瓦斯異常涌出區(qū)域，工作面絕對瓦斯涌出量可達(dá)40～50 m3/min之間、甚至更高，掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出區(qū)域可達(dá)10 m3/min左右。3號～5號合成煤層屬自燃煤層，最短發(fā)火期60 d。為進(jìn)一步摸清異常瓦斯涌出局部區(qū)域的原始瓦斯含量、瓦斯分布狀況、瓦斯涌出規(guī)律、瓦斯抽采卸壓區(qū)域浮煤的自然發(fā)火危險性狀況，必須對異常瓦斯涌出區(qū)域的煤層瓦斯基本參數(shù)、瓦斯涌出狀況進(jìn)行測定必須探明并了解煤層的瓦斯來源、瓦斯賦存、瓦斯涌出規(guī)律，同時研究瓦斯抽采過程中卸壓區(qū)域浮煤的防滅火技術(shù)，以便制定切實可行的瓦斯防治措施提供依據(jù)。

1 瓦斯抽采過程中的防滅火技術(shù)

加強瓦斯抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”及瓦斯“三帶”的考察分析。

1）在綜放面立體抽采條件下，建立采空區(qū)“自燃氧化帶”觀測系統(tǒng)，通過實測數(shù)據(jù)回歸分析，研究“自燃氧化帶”及瓦斯?jié)舛取叭龓А钡姆植家?guī)律，確定采空區(qū)自燃“三帶”及瓦斯“三帶”，為防止采空區(qū)自然發(fā)火、提高瓦斯抽采效率提供依據(jù)。

2）建立數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流場的速度分布、CH4、O2等濃度分布，為合理確定工作面的通風(fēng)方式，優(yōu)化通風(fēng)參數(shù)，確定最佳供風(fēng)量和最佳回采速度提供參考。

3）通過實測高抽巷、瓦斯尾巷、采空區(qū)氣樣成分分析；根據(jù) O2、N2、CH4以及 CO、C2H4等氣體的質(zhì)量守恒，推導(dǎo)三個地點氣體相互流動的關(guān)系，確定煤層瓦斯安全抽采條件下的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，并確定煤層瓦斯抽采參數(shù)的合理范圍。

4）目前已經(jīng)建立瓦斯與煤自燃耦合實驗臺，見圖1，研究不同瓦斯?jié)舛鹊穆╋L(fēng)流對松散煤體自燃氧化規(guī)律及其特性影響規(guī)律；根據(jù)實驗結(jié)果的理論分析，研究瓦斯抽采時，抑制采空區(qū)遺煤氧化自燃的工作面通風(fēng)參數(shù)及瓦斯抽采參數(shù)；提出既有利于瓦斯抽采、又能有效預(yù)防遺煤自燃的參數(shù)和措施。

5）依據(jù)綜合瓦斯治理和自燃火災(zāi)防治的經(jīng)驗，找出兩者相同的措施進(jìn)行實施，對兩者互相沖突的影響因子進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最佳效果，并結(jié)合煤礦現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)條件，提出完善的適合于現(xiàn)場的煤層瓦斯抽采與自燃火災(zāi)耦合防治技術(shù)體系。

圖1 瓦斯與煤自燃耦合實驗臺

2 塔山煤礦石炭二疊系特厚煤層的瓦斯立體抽采技術(shù)

塔山煤礦的最大特點為煤層群開采。按照《瓦斯抽采暫行規(guī)定》第七條規(guī)定：“采煤工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min的；或者掘進(jìn)工作面絕對瓦斯涌出量大于3 m3/min的；礦井絕對瓦斯涌出量大于或等于40 m3/min的?！北仨氝M(jìn)行瓦斯抽采。

結(jié)合塔山煤礦的具體實情確定塔山煤礦的瓦斯立體抽采技術(shù)體系包括：①本煤層的卸壓瓦斯抽采。②采空區(qū)埋管抽采上隅角積聚瓦斯。③鄰近層卸壓瓦斯抽采。

2.1 本煤層的卸壓瓦斯抽采——高位水平走向鉆孔抽放

利用回采工作面前方卸壓區(qū)域瓦斯大量解吸釋放的特點，在回風(fēng)巷內(nèi)每隔50 m并向垂直回風(fēng)巷開掘一條短斜巷和一段平巷作為鉆場（長3 m，寬3.8 m，高3 m），鉆場間距40～50 m左右。在各鉆場內(nèi)迎著工作面推進(jìn)方向打雙排扇形鉆孔，每個鉆場內(nèi)打6個扇形鉆孔，鉆孔開孔高度距巷道底板為1.6 m和2.1 m，鉆孔開孔點水平間距0.6 m，鉆孔終孔間距為5 m，鉆孔終孔距回風(fēng)巷的水平距離8～32 m，距煤層頂板的垂直距離20 m。鉆孔長度60～80 m，鉆場間保持20 m以上的超前距，鉆孔直徑94 mm，見圖2和圖3。抽采本煤層的卸壓瓦斯，以減少工作面回采過程中的瓦斯涌出量。

圖2 高位水平走向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯方法平面示意圖

圖3 高位水平走向鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯方法剖面示意圖

2.2 采空區(qū)埋管大流量抽放瓦斯系統(tǒng)抽放上隅角積聚瓦斯

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)冒落空間逐步增大，工作面瓦斯涌出量隨之增加，上隅角和支架后運輸機(jī)道瓦斯?jié)舛仍黾虞^快，放煤時瓦斯?jié)舛瘸^1%。為減輕工作面通風(fēng)負(fù)擔(dān)，利用大流量抽放瓦斯泵對上隅角瓦斯進(jìn)行抽放，以減低采空區(qū)瓦斯涌出量、防止上隅角和支架后運輸機(jī)道瓦斯?jié)舛瘸?。具體方法是：在回風(fēng)巷內(nèi)敷設(shè)大直徑抽放瓦斯管道，在距工作面30 m處改成600 mm鋼絲骨架風(fēng)筒（伸縮風(fēng)筒），在上隅角切頂線處構(gòu)筑粉煤灰封堵墻，在墻上方預(yù)埋500 mmPE管，再將600 mm鋼絲骨架風(fēng)筒與墻上方預(yù)埋500 mmPE管連接，隨著工作面的推進(jìn)，粉煤灰封堵墻和鋼絲骨架風(fēng)筒被埋入采空區(qū)內(nèi)，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，截斷采空區(qū)瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯超限。當(dāng)粉煤灰封堵墻進(jìn)入采空區(qū)10 m深位置時，重新再筑一道粉煤灰封堵墻，重復(fù)進(jìn)行，見圖4。

圖4 上隅角插管抽放瓦斯示意圖

2.3 鄰近層卸壓瓦斯抽采

隨著工作面的推進(jìn)，受采動影響，引起采空區(qū)頂板巖石的冒落，造成頂板緩慢下沉，采場圍巖松動，產(chǎn)生卸壓作用，形成冒落帶、破裂帶、彎曲下沉帶，見圖5。上覆巖層的采動裂隙逐漸發(fā)育，導(dǎo)致煤巖體中孔裂隙增加，形成層間空隙；這種層間空隙不僅是卸壓瓦斯的儲存地點，也是良好的流動通道。為了防止和減少鄰近層的卸壓瓦斯大量涌向開采層，必須開展鄰近層卸壓瓦斯抽采。

圖5 按瓦斯卸壓抽采劃分的“三帶”

塔山煤礦頂板高抽巷布置在導(dǎo)氣裂隙帶內(nèi)，即：距離開采煤層的頂板約30 m處，鄰近層和采空區(qū)卸壓瓦斯可由裂隙直接導(dǎo)入頂板高抽巷，回采工作面前方一定范圍內(nèi)受采動影響形成的破裂帶也有利于釋放回采面前方煤體中的瓦斯。由于瓦斯密度比空氣低，總是向上漂移，在頂板高抽巷巷風(fēng)流的作用下，上隅角及后溜尾的瓦斯很易流入頂板高抽巷中，見圖6。頂板高抽巷沿2號煤頂板布置，與工作面回風(fēng)巷內(nèi)錯20 m，距煤層頂板30 m（根據(jù)實驗、現(xiàn)場考察、理論分析確定），這個位置正處在工作面采空區(qū)冒落帶上部的裂隙帶，這既能保證巷道斷面維持的較好，又使頂板高抽巷風(fēng)量大小不受采空區(qū)冒落煤和巖石堆積疏密程度限制，還能保證采空區(qū)及周邊破裂煤體釋放的瓦斯較易進(jìn)入頂板高抽巷，并使抽排風(fēng)能夠通過調(diào)整抽放泵抽放量實現(xiàn)控制。

圖6 頂板高抽巷位置平面示意圖

3 結(jié)束語

本文所述項目研究不僅是對塔山煤礦防滅火系統(tǒng)的改進(jìn)，也是對其石炭二疊系特厚煤層開采瓦斯抽放模式的創(chuàng)新，并為低瓦斯含量的石炭二疊系特厚煤層開采防滅火、瓦斯抽采技術(shù)的探索奠定堅實基礎(chǔ)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，應(yīng)用前景較為廣泛，也具有很好借鑒作用。

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