高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯治理技術(shù)研究

摘要：隨著我國部分高瓦斯礦井開采深度的增加、開采強(qiáng)度的加大，工作面瓦斯涌出量越來越大，給工作面的安全生產(chǎn)帶來較大隱患。在這種形勢下，應(yīng)研究和分析工作面瓦斯賦存情況、瓦斯涌出規(guī)律等內(nèi)容，為工作面瓦斯治理提供理論依據(jù)，進(jìn)而采取有效的瓦斯治理措施確保工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高瓦斯礦井；綜采工作面；瓦斯治理技術(shù)；賦存情況；涌出規(guī)律 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD712 文章編號(hào)：1009-2374（2015）05-0160-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0412

綜采技術(shù)工藝近年來得以廣泛應(yīng)用，主要在于其掘進(jìn)率低、效率高易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著綜采工作面單產(chǎn)水平的不斷提高，制約綜采工作面安全生產(chǎn)的因素突顯，尤其是高瓦斯礦井的綜采工作面，隨著礦井開采向深部延伸，瓦斯含量和瓦斯壓力越來越大，綜采工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限的情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響著礦井生產(chǎn)的安全，單靠風(fēng)排瓦斯無法實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，必須從源頭上解決瓦斯制約生產(chǎn)的問題，是實(shí)現(xiàn)綜采工作面安全高效的有效手段，各高瓦斯礦井在瓦斯治理上根據(jù)不同煤層賦存、瓦斯含量和技術(shù)水平狀況，均采取了一些行之有效的技術(shù)手段，這些技術(shù)是各礦井值得借鑒的好經(jīng)驗(yàn)，是各高瓦斯礦井治理瓦斯的思路。

1 巖層移動(dòng)理論分析

第一，在煤層開采后，上覆巖層從直接頂開始，由下而上的因遭受變形破壞，使巖層的原始狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)入開始移動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，在下沉和冒落的過程中產(chǎn)生兩類裂隙：一是離層裂縫，是指巖層在下沉過程中在層與層理之間出現(xiàn)巖層裂隙，主要是由于巖性、層厚的不同，使巖層產(chǎn)生不均勻下沉造成的；二是穿層裂縫，主要是巖層在下沉過程中由于斷裂、彎曲產(chǎn)生的垂直巖層現(xiàn)象。

第二，根據(jù)礦壓理論，在煤層開采后其頂板巖層會(huì)發(fā)生冒落移動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)上覆巖層下沉穩(wěn)定后，上覆巖層采動(dòng)裂隙區(qū)可分為豎三帶與橫三區(qū)，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，沿工作面推進(jìn)方向上的橫三區(qū)會(huì)隨著交替往前移動(dòng)。

第三，煤層開采在上述區(qū)域巖層中產(chǎn)生豎向破斷裂隙與離層裂隙，在工作面的推進(jìn)下開切眼開始逐漸增大，隨著工作面開采距離的進(jìn)一步增大，采空中部離層裂隙在發(fā)育中趨于壓實(shí)，同時(shí)采空區(qū)上下兩側(cè)由于煤壁支撐作用，離層裂隙仍較發(fā)育，這樣采空區(qū)四周形成一個(gè)連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)。

2 采面瓦斯的流動(dòng)及分布規(guī)律

2.1 煤層中瓦斯的分布規(guī)律

從我國高瓦斯礦井的實(shí)際涌出情況分析，成煤斯的巖性組合特征、煤的變質(zhì)程度以及地質(zhì)構(gòu)造與高瓦斯礦井的生成、分布有著密切關(guān)系。

煤體作為瓦斯的主要儲(chǔ)集層分布在煤系地層中，由于巖石的覆蓋條件不好缺乏吸附瓦斯的能力，巖石中封存的瓦斯多由附件煤層中運(yùn)移出并儲(chǔ)集。

2.2 采面瓦斯涌出規(guī)律

綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律隨著工作面的向前推進(jìn)會(huì)發(fā)生較大變化，并且有一定的規(guī)律可循，研究工作面瓦斯涌出規(guī)律，提前采取切實(shí)可行的瓦斯治理安全技術(shù)措施，保證工作面的安全生產(chǎn)有著十分重要的意義。

2.2.1 穩(wěn)定工作面推進(jìn)度。在工作面長度一定的情況下，工作面的推進(jìn)速度越快，瓦斯涌出量會(huì)越大，給工作面瓦斯治理帶來困難，因此必須根據(jù)工作面瓦斯情況穩(wěn)定工作面推進(jìn)速度。

2.2.2 加強(qiáng)工作面初次來壓和周期來壓的瓦斯治理。工作面初次來壓和周期來壓時(shí)，容易將工作面老空區(qū)的瓦斯大量的排出，增大工作面瓦斯涌出量，影響工作面的安全生產(chǎn)，因此必須在工作面來壓期間加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測和通風(fēng)管理，必要時(shí)可以適當(dāng)放慢推進(jìn)度。

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造帶可增加瓦斯涌出量。工作面地質(zhì)構(gòu)造帶應(yīng)力集中，是瓦斯含量較高的地區(qū)，工作面過構(gòu)造帶時(shí)會(huì)加大工作面瓦斯涌出量，因此必須探實(shí)工作面內(nèi)部構(gòu)造情況，在工作面推采時(shí)提前采取措施，保證工作面的安全生產(chǎn)。

2.2.4 厚煤層瓦斯含量增大，工作面瓦斯涌出量會(huì)增加。工作面煤層厚度發(fā)生變化時(shí)，特別是在煤層變厚時(shí)，也會(huì)增加工作面瓦斯涌出量，同樣需要采取相應(yīng)措施。

2.3 采空區(qū)瓦斯的流動(dòng)規(guī)律

2.3.1 對(duì)工作面圍巖和鄰近煤層來說，采空區(qū)是一種應(yīng)力釋放區(qū)，鄰近瓦斯在原始?jí)毫Φ淖饔孟拢ㄟ^裂隙大量涌入采空區(qū)。

2.3.2 通風(fēng)動(dòng)力使工作面及采空區(qū)兩端產(chǎn)生壓差，風(fēng)流帶動(dòng)瓦斯向低壓端流動(dòng)。

2.3.3 瓦斯的密度為空氣密度的0.554倍，空氣浮力使瓦斯向上移動(dòng)。

3 綜采工作面瓦斯治理的主要途徑

3.1 工作面選擇合適的配風(fēng)量

采面配風(fēng)量對(duì)瓦斯涌出量大小有一定的影響，合理配風(fēng)對(duì)控制采面瓦斯涌出量有重要的作用。采面上隅角瓦斯在供風(fēng)量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，濃度最小，如果再增大供風(fēng)量，則瓦斯?jié)舛炔唤捣炊鴷?huì)升。所以各礦井可根據(jù)不同的煤層瓦斯賦存條件在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的基礎(chǔ)上，選擇適合本礦井綜采工作面的配風(fēng)量，在很大程度上有利于瓦斯的治理。

3.2 高位抽排巷層位的選擇

高位巷布置離煤層太近，抽放時(shí)就會(huì)將大量空氣與瓦斯一起抽出，這樣降低了抽放瓦斯?jié)舛龋M(jìn)而工作面漏風(fēng)率和采空區(qū)自然發(fā)火率就會(huì)增加，反之離煤層太遠(yuǎn)，此帶巖層呈現(xiàn)彈塑性變形和整體下沉，沒有瓦斯通道，就抽不出瓦斯。然而在裂隙帶內(nèi)由于巖層下部巖石垮落而斷裂、離層，充分發(fā)育的水平裂隙及垂直裂隙甚至離層空峒就成了抽放瓦斯的很好通道，所以布置高位抽排巷的最佳層位是裂隙帶。

3.3 上隅角瓦斯治理的主要措施

隨著回工作面的移動(dòng)，由于上下風(fēng)巷充填不實(shí)，易造成漏風(fēng)，大量瓦斯積存于回風(fēng)巷老塘空間并隨著風(fēng)流涌入工作面，易造成上隅角瓦斯積聚和超限，影響安全生產(chǎn)，采用后退式設(shè)置封閉插軟管抽放上隅角瓦斯是防止上隅角瓦斯超限的有效辦法。

隨著工作面向前推進(jìn)，將抽放軟管預(yù)埋在采空區(qū)的上風(fēng)巷位置，軟管一頭伸入上隅角封閉1～2m，管口位置應(yīng)有不少于3m3的空間，另一端與風(fēng)巷抽放管路相連進(jìn)行抽放，為提高抽放效果，埋入采空區(qū)上隅角的軟管必須用繩吊到巷道的頂部。

3.4 本煤層淺孔抽放

隨著開采深度的加大和開采能力的提高，采區(qū)瓦斯涌出量也逐步加大，單純采用通風(fēng)方法，將井下瓦斯?jié)舛瓤刂圃诎踩薅葍?nèi)，往往在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都趨于不合理狀況，也不安全。采面加大風(fēng)量也無法控制和解決瓦斯超限的問題，采用本煤層煤體抽放瓦斯方法，即在開采前直接抽放開采煤層瓦斯，并在非卸壓狀態(tài)下靠煤層本身原生透氣性抽放瓦斯。

3.5 頂板鉆孔抽放

頂板鉆孔法抽采主要解決上覆巖層及上臨近層中的瓦斯，抽采率可達(dá)到10%。頂板鉆孔種類有兩種：一是頂板高位鉆孔，一是頂板低位鉆孔。

3.5.1 頂板鉆孔抽放。從下一個(gè)工作面臨近順槽向采面頂板打鉆：采用高低位鉆孔間隔布置，高、低位鉆孔間距均為5m，孔徑為113mm，其中高位孔深為72m，鉆孔仰角為39°，終孔高度42m；低位鉆孔孔長為37.5～42m，鉆孔仰角為14°～21°，終孔高度為8～10m，垂直煤壁。利用低位鉆孔抽放采面隅角瓦斯，利用高位鉆孔抽放采面頂板裂隙瓦斯。

3.5.2 頂板鉆場抽放。高位鉆場可以布置在回采工作面巖層裂隙帶，與煤層的垂直距離各礦根據(jù)具體情況確定，在高位鉆場打鉆抽放采空區(qū)巖層裂隙帶瓦斯，減少采空區(qū)瓦斯向工作面涌出。

4 結(jié)語

瓦斯是危害礦井生產(chǎn)安全的重要因素之一，綜采工作面瓦斯處理技術(shù)常見的有通風(fēng)和抽采兩種途徑，由上述的實(shí)踐證明打鉆淺孔、深孔注水壓裂抽采是解決本煤層瓦斯的主要手段和途徑。具體問題具體分析，采取合適有效的處理措施。在科技不斷進(jìn)步的今天，企業(yè)想要做到安全生產(chǎn)，就必須應(yīng)用科學(xué)成果，服務(wù)于安全開采，從而降低瓦斯威脅。

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作者簡介：閆文德（1970-），男，河北張家口人，冀中能源張礦集團(tuán)懷來水窯溝礦業(yè)公司總經(jīng)理，采煤工程師。

（責(zé)任編輯：蔣建華）