麥捷礦掘進工作面瓦斯涌出異常原因分析及治理效果研究

向 東

(山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司,山西 晉中 045400)

為保障中國經濟快速增長對煤炭的需求,我國煤礦機械化程度大幅提高,工作面單產產能不斷擴大,生產采場不斷向下延展,許多煤礦呈現出煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高、地質條件復雜等特點。近些年來,我國加大了煤礦瓦斯災害防治工作,在瓦斯治理、瓦斯抽采和礦井瓦斯地質研究等方面取得了巨大的進步和成就。在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井中,采取合理的瓦斯治理措施,消除工作面瓦斯隱患,是實現綜掘、綜采工作面高產高效的前提和基礎[1]。

1 礦井及工作面概況

麥捷礦井田屬高瓦斯礦井。150206軌道順槽掘進工作面東為二采區主巷、西為F3斷層、南為井田邊界保護煤柱(鄰博大京魯煤業采空區)、北為150206皮帶順槽掘進工作面。150206軌道順槽和皮帶順槽均沿15號煤層頂板掘進,平均煤厚3.2 m,斷面為矩形,寬4.5 m×高3.3 m,日循環進度10 m,兩工作面均采用兩臺FBDN06.3型通風機壓入式供風。功率為30 kW,一用一備,工作面實際配風量386 m3/min,風速0.43 m/s。掘進時工作面混合風流甲烷傳感器安設在巷道內風筒對幫距工作面迎頭不大于5 m的位置,工作面回風流甲烷傳感器安設在距回風口10 m至15 m位置,巷道開始掘進至400 m位置時工作面混合風流瓦斯濃度、回風流瓦斯濃度及巷道瓦斯涌出量數據如表1所示。

表1 150206軌道、皮帶掘進工作面瓦斯濃度、涌出量統計Table 1 Gas concentration and emission of No.150206 working face with track or belt

根據歷年數據統計麥捷煤礦15號煤層掘進工作面絕對瓦斯涌出量均在0.5 m3/min以下,掘進工作面不進行抽采,僅依靠通風解決瓦斯涌出問題。150206軌道順槽掘進工作面掘進落煤期間在400 m位置混合風流最高瓦斯濃度達到0.15%,回風流瓦斯濃度達到0.7%,絕對瓦斯涌出量達到2.702 m3/min,瓦斯濃度、涌出量遠高于歷年來其他煤巷掘進工作面,已威脅到工作面作業人員的安全,制約工作面的高效生產。2013年-2018年度絕對瓦斯涌出量最大的掘進工作面統計如表2所示。

表2 2013年-2018年度絕對瓦斯涌出量最大的掘進工作面統計Table 2 Absolute maximum gas emission by working face from 2013 to 2018

2 掘進工作面瓦斯涌出量計算

綜掘工作面煤巷瓦斯涌出來源由煤壁瓦斯和落煤瓦斯兩部分構成,一般情況下從巖石涌出的瓦斯量很少,可忽略不計[2]。在不考慮其他補充瓦斯來源的情況下,150206軌道順槽瓦斯涌出量采用分源預測法進行計算[3],其計算公式如下:

Q=Qx+QL.

(1)

式中:Q為掘進工作面絕對瓦斯涌出量,m3/min;Qx為巷道煤壁絕對瓦斯涌出量,m3/min;QL為落煤絕對瓦斯涌出量,m3/min。

2.1 煤壁瓦斯涌出量計算

(2)

式中:D為巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度,該工作面煤層厚度3.2 m,屬中厚煤層,則D=6.4 m;V為巷道平均掘進速度,V=0.006 94 m/min;L為巷道長度,400 m,Q0為煤壁瓦斯涌出強度,m3/(m2·min),無實測值,參考式(3)計算。

Q0=0.026×[0.000 4(Vr)2+0.16]W.

(3)

式中:Q0為煤壁瓦斯涌出強度,m3/(m2·min);Vr為煤中揮發分含量,取13.96%;W為煤層原始瓦斯含量,m3/t,取6.235 1。

計算得:Qx=0.552 3 m3/min。

2.2 落煤的瓦斯涌出量計算

QL=SVY(W-W0) .

(4)

式中:QL為落煤的瓦斯涌出量,m3/min;S為掘進巷道斷面積,巷道高度3.3 m,寬度4.5 m,則S=14.85 m2;V為割煤時平均掘進速度,掘進1 m所需時間按20 min計算,則V=0.05 m/min;Y為煤的密度,取1.45 t/m3;W為煤層原始瓦斯含量,取6.235 1 m3/t;W0為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量,測定瓦斯含量過程中井下解吸時間大概10 min左右結束,相當于煤炭自采落到運出工作面所用時間,W0值取常壓解吸W2、粉碎解吸W3和殘存瓦斯含量WC之和,W2、W3、WC值如表3所示,則W0=W2+W3+WC=5.845 5 m3/t。

計算得:QL=0.419 5 m3/min。

分源預測法計算得150206軌道順槽工作面掘進至400 m時,割煤期間該工作面的絕對瓦斯涌出量為Q=Qx+QL=0.552 3+0.419 5=0.971 8 m3/min。

表3 近5年實測原始瓦斯含量最大煤巷掘進工作面統計Table 3 Driving faces with maximum gas concentration in recent five years

3 工作面瓦斯涌出異常分析

3.1 工作面瓦斯涌出數據對比

由表1統計數據可知,150206軌道順槽掘進工作面掘進至400 m割煤期間回風流瓦斯濃度為0.70%,混合風流瓦斯濃度為0.15%,停止割煤后混合回風流瓦斯濃度穩定在0.03%,實測工作面風量386 m3/min。計算得掘進期間實際瓦斯涌出量為2.702 m3/min,落煤瓦斯涌出量為0.463 2 m3/min,則煤壁瓦斯和其他瓦斯涌出總量為2.238 8 m3/min。150206軌道順槽掘進工作面絕對瓦斯涌出量如表4所示。

表4 150206軌道順槽掘進工作面絕對瓦斯涌出量Table 4 Absolute gas emission of No.105206 working face with track gateway

由表4分析得出,在不考慮其他補充瓦斯來源的情況下,分源預測法計算的落煤瓦斯涌出與實際落煤瓦斯涌出情況基本相符,但工作面瓦斯涌出量與實際涌出量相差很大。結合兩種方法的計算結果推算出Qqt=2.238 8-0.552 3=1.626 5 m3/min,分析得出150206軌道順槽工作面除巷道煤壁和落煤瓦斯涌出外,存在其他瓦斯涌出來源。

3.2 工作面瓦斯涌出異常原因分析

根據礦井地質報告數據,150206軌道順槽頂底板巖性為泥巖、灰巖、砂質泥巖的致密巖層,而且厚度大,橫向巖性變化小,圍巖透氣性差。從地層綜合柱狀圖來看,15號煤深部無瓦斯補充來源,距上部12號煤平均間距40 m,故基本可以排除掘進期間鄰近煤層瓦斯沿巷道頂底板裂隙向工作面涌出的可能性。從周邊礦井的調查報告來看,鄰近礦井采空區標高低于150206軌道順槽標高約30 m,有利于瓦斯向上部運移。從采掘接替來看,150206工作面屬礦井二采區的孤島面,沿空巷道掘進期間兩巷壓力大,應力集中,巷道圍巖松動圈較大,壓力顯現更為明顯,成巷10 d后表面位移觀測站觀測圍巖最大的水平變形量345 mm,垂直變形量212 mm,沿空巷道保護煤柱變形量高出其他掘進巷道的1倍左右。在高應力作用下保護煤柱處于流變狀態從而促進煤體裂隙生成、加劇煤柱變形,為鄰近礦井采空區瓦斯向工作面涌出提供通道。

通過查閱礦井瓦斯地質報告、礦井采掘平面圖(見圖1)及地質相關資料,F3正斷層從西鄰博大京魯煤礦延伸過來,位于井田中部,斷層走向近東西,傾向南,傾角45°～75°。該斷層錯斷了8、9、12、15#煤層,落差為18 m～40 m,區內延展長度3 660 m,向東西延展至區外,屬張性正斷層。從礦井采掘平面圖的煤層底板等高線來看,礦井二采區等高線呈一組曲線,軸兩側等高線對應出現,近軸標高低,整體為典型的向斜構造。150206軌道順槽400 m位置恰好處于向斜的軸部。

目前的煤炭地質瓦斯研究普遍認為:

1)從斷層的性質和力學性質分析,一般張性正斷層屬于開放性斷層,透氣性較好[4]。

2)如果斷層規模很大、斷距很長,一般與煤層接觸的對盤巖層屬致密不透氣的概率會減小[5]。

3)由于斷層集中應力帶的影響,距斷層一定距離的煤層的透氣性因受集中應力作用而降低,故而會出現瓦斯含量增高區。

4)向斜軸部巖層受到強力擠壓,圍巖的透氣性下降,有利于軸部地區封存瓦斯。因此F3張性正斷層的存在為鄰近礦井的采空區瓦斯向150206軌道順槽運移提供了條件,F3斷層和向斜構造的存在也合理的解釋了150206軌道順槽原始瓦斯含量明顯高于其他采掘面的現象。

綜上所述,分析認為F3斷層、向斜構造導致工作面原始瓦斯含量增高;F3斷層、采掘接替關系導致鄰近礦井采空區瓦斯通過斷層、煤柱向工作面涌出。因此煤體原始瓦斯含量增高及鄰近礦井采空區瓦斯涌出是150206軌道順槽工作面瓦斯涌出異常的主要原因。

4 掘進期間瓦斯治理措施及效果

通過對150206軌道順槽掘進工作面瓦斯涌出來源的計算和分析,綜合考慮地應力、瓦斯含量和煤層抗壓強度以及工作面傾向和走向長度的影響,決定采取以下措施，并取得良好的治理效果。

4.1 工作面掘進期間瓦斯治理措施

1)加大工作面配風。原30 kW壓入式通風機更換為45 kW風機,原Φ800 mm風筒更換為Φ1 000 mm風筒,工作面風量由原來的386 m3/min增至550 m3/min,提高風排瓦斯能力。

2)增加保護煤柱寬度。井田邊界保護煤柱由原來的20 m增加至40 m,提高煤柱的抗壓強度,減緩煤柱裂隙生成,降低鄰近礦井采空區瓦斯向工作面運移速度。

3)加強巷道幫頂的支護強度。錨桿間排距由1 m縮小至0.8 m,增加幫頂的支護強度,減小圍巖、煤柱的變形量,減小煤柱裂隙生成。

4)加強工作面各地點瓦斯監測。工作面瓦斯監控探頭、機載式瓦檢儀、懸掛便攜式瓦檢儀的報警濃度由0.8%降低至0.5%,加強工作面的瓦斯監控及管理,發現瓦斯異常升高及時匯報分析并采取撤人、斷電、排瓦斯等措施。

4.2 工作面瓦斯治理效果

掘進落煤期間實測工作面平均瓦斯濃度0.07%,濃度下降53.3%;回風流平均瓦斯濃度0.20%,濃度下降71.4%;工作面絕對瓦斯涌出量1.1 m3/min,涌出量下降59.3%。

5 工作面回采期間針對性瓦斯治理措施建議

1)工作面軌道順槽加密施工本煤層鉆孔,進行采前預抽,降低回采期間本煤層瓦斯涌出量。

2)工作面軌道順槽施工高低位裂隙帶鉆孔,進行邊采邊抽,降低鄰近層、采空區瓦斯涌出量。

3)加大超前支護范圍,增加超前支護范圍內的支護密度,加大巷道臥底量,降低煤柱所受壓力,減小巷道變形量,降低鄰近礦井采空區瓦斯涌出,保證進回風斷面完整。

4)加強工作面及兩巷的應力監測,摸清應力分布狀況,發現應力異常及時采取卸壓措施。

5)加強工作面兩巷的端頭管理,及時退錨,防止兩巷端頭懸頂超距。頂板懸頂超距時采取填充、強制放頂等相關技術措施,防止瓦斯積聚。

6 結束語

F3張性正斷層、向斜構造的存在導致軌道順槽原始瓦斯含量明顯增高,同時斷層的性質及采掘接替的關系為采空區瓦斯向工作面運移提供便利。因此分析研究認為:麥捷煤礦150206軌道順槽掘進工作面瓦斯異常涌出是煤體原始瓦斯含量高及鄰近礦井采空區瓦斯向工作面涌出共同導致。在以后的瓦斯治理工作中應該充分考慮圍巖透氣性、地質構造、采掘接替、地應力等對煤層原始瓦斯含量及瓦斯運移的影響,有針對性的提出科學、合理、經濟和可操作性的措施。