1、前言

阳煤集团是国内瓦斯涌出量最大的矿区，也是最难进行煤层瓦斯抽放的矿区之一。2006年13个矿井，年产量3541.69万吨，矿井测定最大瓦斯绝对涌出量1642.37m³/min，单井最大绝对涌出量414.6m³/min。矿井瓦斯抽放量3.75亿m³。

阳泉矿区含煤16层，主要开采3、12、15号煤。15号煤层采用高效综放开采工艺，2006年15号煤开采年产量达到2500万吨以上，占全集团公司总产量的70%以上。由于15号煤位于整个煤层的最下部，虽然本煤层瓦斯含量不大（7.13m³/t），但其上部的邻近层瓦斯含量较高（14.75～21.73 m³/t），并存在K₃、K₄石灰岩瓦斯。如果直接开采15号煤，其综放开采强度大，采空区上覆岩层冒落空间大一次性卸压范围广，瓦斯涌出源多，邻近层瓦斯涌出量占工作面总涌出量的90%。据统计综放面瓦斯涌出量为一般30~70 m³/min，最大时达到213m³/min以上，这样大的瓦斯，主要采用顶板走向高抽巷抽放邻近层瓦斯解决综放面瓦斯超限问题，最大抽放量达到180 m³/min，邻近层瓦斯抽放率达到90%以上，基本上解决了正常开采期间的邻近层瓦斯问题。

但是工作面初采期间顶板初次垮落，顶板岩石冒落及裂隙影响范围达不到高抽巷位置，走向高抽巷还暂时不起作用，近距离邻近层不稳定涌出的瓦斯全部涌入工作面，加之采空区遗煤瓦斯涌出，工作面的瓦斯涌出量急剧增加、瓦斯超限频繁，在初采期间（0～40范围）工作面难以正常生产，初采期间瓦斯不稳定涌出问题，成为直接威胁综放安全开采的重大隐患。

因此，我们对综放面初采期间瓦斯不稳定涌出进行了大规模深入研究，保证初采期间的瓦斯得到有效的排放，使综放面各个工作地点瓦斯的浓度都处于安全规程规定的浓度以下，防止瓦斯超限，有效消除瓦斯对安全生产的威胁。

2、综放面初采期间瓦斯不稳定涌出治理技术

阳煤集团综放面开采15号煤层，煤厚6.8m左右，煤层及围岩透气性差，上邻近层瓦斯含量高，15号煤开采过程中90%以上瓦斯来源于上邻近层。为了有效解决邻近层瓦斯，一般在上部9、10号或12号煤层开掘走向高抽巷，距15号煤顶板40～60m左右。正常开采时，高抽巷通过采动裂隙能够很好的抽出邻近层瓦斯。初采范围内，由于仅直接顶垮落，老顶未垮落，裂隙不能通达高抽巷，上邻近层瓦斯大量涌向采场空间，对初采期的安全生产构成极大威胁。

2.1综放面初采期间瓦斯涌出规律

由于综放面切巷（6~7m宽）采用长木棚及锚索支护，并且初采4~6m不放顶煤，一般在工作面推进4~6m后顶板才开始有下沉活动，工作面推进10m以前，瓦斯基本来自本煤层，瓦斯涌出量很小。随着工作面继续推进，直接顶开始离层垮落，近距离的14号煤、K ₂灰岩瓦斯逐渐涌出，工作面瓦斯涌出量呈明显上升趋势。此时顶板活动开始加强，工作面煤壁受集中压力的影响，在采煤与放顶过程中冒顶片帮经常发生，每发生一次冒顶或片帮都会使冒落围岩附近瓦斯很快解吸进入工作面，造成落山角及风流中瓦斯超限，一般3~4小时内瓦斯涌出会慢慢稳定。初采期支架后部漏风量比正常回采时大的多，大量漏风携带着采空区高浓度瓦斯在回风侧落山角集中涌出，造成回风侧落山角1~2支架间及回风巷落山侧成为高浓度瓦斯积聚区。

工作面通风量的大小（或通风压力的大小）对瓦斯涌出量的影响较大，特别是在初采期间尤为明显。从理论上讲通风负压越大，煤层及围岩内赋存的原始瓦斯压力与通风系统之间的压差越大，瓦斯运移能量越大，运移速度越快，相同范围的围岩及煤层瓦斯解吸涌出速度也越快，涌出的瓦斯量增多；反之，涌出的瓦斯量减少。如五矿8214工作面初采时风量从1600 m³/min，加大到2200 m³/min，瓦斯涌出浓度依然超限，停产最大瓦斯涌出量30.6 m³/min，在回风设风卡增加阻力（减少负压）1058Pa后，风量降到700 m³/min，回风风排瓦斯量4 m³/min，采空区埋管抽放11.13 m³/min，抽放浓度30%，总瓦斯涌出量仅有15.13 m³/min，比加风时瓦斯涌出量降低38.5%~50.6%。

有时候，初采期间顶板好坏也直接影响瓦斯涌出条带的分布，一般情况下瓦斯从机尾及后几架支架向外涌出，但有的工作面在巷道掘进时栅梁上方冒落较高，形成离层空间，一旦在采动时有裂隙将工作面上方离层空间与该处沟通，邻近层瓦斯和采空区上部瓦斯在负压作用下沿此空间移动，在回风道形成局部涌出点，从而造成回风局部瓦斯超限，影响生产，五矿8111工作面在初采期间曾出现类似情况，回风局部瓦斯涌出浓度6%~9%左右，最大瓦斯涌出量81.10 m³/min，影响生产时间300min。

根据综放面初采斯瓦斯涌出特征的研究表明，综放工作面在初采期间，随着直接顶、老顶的垮落，会造成2～3次不稳定涌出高峰。在综放面推进至距开切巷15m以前时，工作面的瓦斯涌出量为3~9 m³/min。当工作面推进至15~20m左右时瓦斯涌出出现第一次高峰，工作面顶板初次垮落进入初采期，瓦斯涌出不稳定，工作面开始出现瓦斯超限；在工作面推时至22~28m左右时瓦斯涌出出现第二次高峰，瓦斯涌出量为7~37 m³/min；工作面推进至38m左右时，高抽巷大量抽出瓦斯，初采期工作面瓦斯涌出量迅速下降，瓦斯超限得到缓解，初采期结束。如图1所示。综放面初采期瓦斯涌出（平均涌出量）的构成为本煤层占15.8%~24%，邻近层（含采空区）占76%~84.2%。

 

图1  综放面初采期瓦斯涌出规律示意图

综放面顶板初次垮落阶段初采期瓦斯涌出不稳定超限的推进度范围为15~40m，累计最大4980分钟，若包括因停电撤人到恢复生产的实际影响生产时间为9~20天。

综合分析综放面初采期的瓦斯涌出、顶板卸压与推进度的关系可以看出，综放面初采期瓦斯超限的根本原因为，当工作面推进到一定距离，随着直接顶和老顶的冒落，使工作面上覆近距离邻近煤层14号、13号煤层及含瓦斯的K₃、K₄灰岩卸压，瓦斯不稳定地涌出，而此时顶板冒落造成的卸压高度还达不到布置在9号煤层中的走向高抽巷，高抽巷暂时不起作用，因而使已卸压的近距离邻近层瓦斯大量涌向工作面，加上工作面采空区瓦斯的涌出，工作面瓦斯涌出大量增加，引起瓦斯超限。随着工作面的进一步推进，大约30m以后，顶板卸压范围的不断扩大，邻近层瓦斯涌出更加增大，而此时顶板卸压已经影响到高抽巷，高抽巷已开始起作用，因此工作面瓦斯涌出总体上呈下降趋势。当走向高抽巷大量抽出邻近层瓦斯后，高抽巷抽放瓦斯量开始会逐渐增加，一般达到20～85 m³/min，最大可达到180 m³/min。见表1。表1列举了5个综放面高抽巷开始抽放瓦斯时的初采期推进度值和瓦斯情况。

表1      综放面初采期推进度和瓦斯涌出情况

 

2.2采用伪倾斜后高抽巷抽放近距离邻近层瓦斯

阳煤集团最初试验采用中低位后高抽巷抽放初采期瓦斯，在回风巷敷设一趟380mm抽放管，利用移动抽放泵抽放，取得了明显的治理效果。经过大规模的试验后，在二矿首次采用一条小断面伪倾斜后高抽巷抽放初采期瓦斯，并在集团公司推广。将上隅角与走向高抽巷尾部连通，使初采期上邻近层瓦斯在高抽巷的抽放负压作用下及时抽排入矿井抽放系统。减少了在回风巷敷设的一趟380mm瓦斯管路。

中低位后高抽巷下段巷道布置在实体煤层中，关键是不能被破坏，上段巷道有一段平巷，深入顶板岩石冒落边缘卸压带内，最初时采用两条平巷，一条布置在14号煤层，一条布置在13号煤层，后来采用一条，直接布置在13号煤层中。

后高抽巷采用密闭墙密闭，两面用砖砌成，中间充填黄泥，墙厚3m，在密闭墙上预设抽放管路，管路为直径226mm或380mm直缝焊管，沿回风巷敷设，并与移动抽放泵或矿井抽放系统相联。

小断面伪倾斜后高抽巷布置简单，只有一条伪倾斜巷道，但技术要求高，其关键是要布置在顶板初始冒落的边缘带以下，下段不需要密闭，巷道随顶板的冒落自下而上逐段报废，使抽放负压点随之上移，瓦斯抽放浓度逐渐升高，直至顶板裂隙高度与高抽巷连通，安全渡过初采期瓦斯不稳定涌出的危险期。值得注意的是，如果布置在顶板初始冒落的边缘带以上，巷道保持完整，就不会随顶板的冒落自下而上逐段报废，造成回风系统与走向高抽巷连通，影响整个抽放系统浓度。如图2所示。

 

图2     中低位后高抽巷与伪倾斜后高抽巷布置示意图

以二矿8613综放面为例，走向高抽巷沿12号煤层布置，与15号煤层的垂直间距H=42～49m，与回风巷的水平距离B=22～28m，为了保证伪倾斜后高抽巷的布置角度不超过顶板的初始冒落角度，走向高抽巷尾端向工作面中部拐弯，终端与回风巷的水平距离B=50m，终端距切巷水平距离20m。

根据综放面高抽巷开始抽放瓦斯时的推进度，得出上隅角顶板的初始冒落角度为62?~66?。据此，在8613综放面用一条断面2.25m²、仰角44?、斜长68m的小断面伪倾斜后高抽巷，将上隅角与走向高抽巷终端沟通，巷道布置在顶板初始冒落的边缘带以下，下段巷道不需要密闭，随顶板冒落逐段报废，抽放负压点不断上移，抽放浓度逐渐提高。

由于二矿8613综放面初采期间采用了伪倾斜后高抽巷瓦斯治理技术，与二矿没有采用伪倾斜后高抽巷的8510综放面相比，瓦斯排放和抽放途径发生了根本变化。当两个工作面分别推进到16m~42m期间，上邻近层瓦斯开始大量涌出，8613工作面初采期间内错尾巷的平均风排瓦斯量为3.75 m³/min，瓦斯浓度小于2.5%不超限。8510工作面初采期间内错尾巷的平均风排瓦斯量高达26.33 m³/min，瓦斯超限严重。而8613工作面后高抽巷的平均瓦斯抽排量为18.59 m³/min，8510工作面走向高抽巷的平均瓦斯抽排量为1.46 m³/min。因此，8613在初采期未发生1分钟的瓦斯超限事故，综放面初采期瓦斯不稳定涌出治理达到了预期目的。取得了理想的治理效果。

2.3. 伪倾斜后高抽巷治理初采期瓦斯的技术特点

阳煤集团几种比较有代表性的综放工作面初采期瓦斯治理技术方法，有一个从最初试验到技术成熟试验的基本过程。

五矿最初采用的方法，是在没有布置内错尾巷的情况下，利用采空区埋管抽放采空区及落山角瓦斯，同时利用该趟管路与后高抽巷闭墙预留管连通解决初采期瓦斯。

二矿采用的落山角与内错尾巷口布置的小断面伪倾斜后高抽巷，不进行密闭，伪倾斜后高抽巷处于冒落带边缘，随着工作面开采逐渐垮落，抽放的入气口逐渐升高，直到初采期结束，走向高抽巷起作用后即失效。

一矿大直径钻孔孔口布置在切巷内，钻孔仰角39度，钻孔轨迹位于走向高抽巷垂直投影下方，钻孔下段随着工作面开采逐渐垮落，抽放的入气口逐渐升高，直到初采期结束。走向高抽巷起作用后即失效。

三矿、五矿后来布置的后高抽巷，位于切巷外侧实体煤层内，下段巷道需要进行密闭，后高抽巷处于冒落带边缘以外，不随工作面开采垮落，抽放的入气口基本不变。可保留到工作面全部采完，走向高抽巷起作用后仍然可以抽放采空区高浓度的瓦斯。

由于伪倾斜后高抽巷的抽放作用，使工作面风排瓦斯量较以往工作面有明显的减少，如三矿K8105综放面布置伪倾斜后高抽巷后，风排瓦斯量平均值为8.21m³／min，而没有布置伪倾斜后高抽巷的相邻综放面风排瓦斯量为9.75～38.46m³/min，以往综放面初采顶板来压瓦斯增大时，仅使用加大风排的方法处理，使工作面最大配风量达到1600～2200m³/min，而二矿8613综放面和三矿K8105综放面配风量仅为1000～1500m³/min，比三矿、五矿、二矿已开采但没有布置伪倾斜后高抽巷的综放面，风量平均降低600～700m³/min，这充分说明，加大工作面配风量在一定程度上不利于瓦斯治理，带有很大被动性，后高抽巷抽放方式变被动为主动疏导抽放，克服了以往传统方式的弊病，而且由于需要风排的瓦斯量减少，可适当降低工作面初采配风量，走向高抽巷与综放面上隅角的负压差加大，对瓦斯抽放更有利。在有效抽放综放面初采期瓦斯的同时，也减少了工作面的配风量，使通风费用大大降低，矿井的通风能力相对提高。

    伪倾斜后高抽巷抽放的有效性数据表明，工作面初采瓦斯抽放率高，占初采期瓦斯86.25%～90.29%的上邻近层瓦斯被及时排放，抽放瓦斯浓度为70％～90％，抽放纯瓦斯量18.59 m³/min～76.8 m³/min。消除了初采期瓦斯超限隐患，实现了安全、高效生产。 

采用后高抽巷治理综放面顶板初次垮落阶段瓦斯不稳定涌出技术，从根本上解决了综放面初采期间瓦斯超限引发停产的次数和时间，消除了初采期间瓦斯超限对安全生产的威胁。

2.4、初采期间瓦斯治理技术的经济技术效益分析

综放工作面初采期间瓦斯不稳定涌出治理技术，已经在集团公司所有综放面推广，其技术经济效益比较明显。主要是采用这项技术后，减少了回风巷埋设的一趟380×3mm的瓦斯管，利用高抽巷抽放负压进行抽放，也减少了移动瓦斯抽放泵设备费用及泵站设置掘进工程费用，消除了综放面初采期间老顶初次垮落阶段瓦斯不稳定涌出造成的瓦斯超限停产的不安全影响，使工作面日推进速度明显提高，产量明显提高，利用落山角附近布置的伪倾斜后高抽巷，还可减少了因在切巷外布置造成的煤柱损失，集团公司按每年18个综放工作面计算，则年创经济效益为46375.2万元。其社会效益和经济效益特别显著。

3、结论

阳煤集团是在研究了综放面上覆岩层卸压活动规律、以及与之相应的瓦斯涌出规律后，由逐步一个工作面小规模试验，然后通过分析改进，再通过4～6个工作面大规模试验，得到了综放面初采期间瓦斯不稳定涌出的来源和规律，利用中低位后高抽巷和小断面伪倾斜后高抽巷，抽放初采期间近距离邻近层瓦斯，解决了多年来综放面初采期在顶板初次垮落阶段瓦斯不稳定涌出造成频繁瓦斯超限对安全生产的影响。为综放面年产达到400万吨/年水平的生产能力，提供了可靠的技术保障。

在采用U+I、U型通风方式并利用走向高抽巷抽放邻近层瓦斯的综放工作面，都可采用伪倾斜后高抽巷，来解决高瓦斯煤层综放工作面初采期间老顶初次垮落过程瓦斯不稳定涌出超限问题。

 

参考文献： 《煤矿安全新技术》煤炭工业出版社

《阳泉高瓦斯易燃煤层综放面瓦斯综合治理技术》阳煤集团技术报告

作者简介：游  浩    阳泉煤业（集团）有限责任公司总工程师、高工

赵长春    阳煤集团技术中心通风与瓦斯研究所所长、高工

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

阳泉综放工作面初采期间瓦斯不稳定涌出治理技术

 

 

 

 

 

 

 

 

 

游  浩    阳泉煤业（集团）有限责任公司总工程师

赵长春    阳煤集团技术中心通风与瓦斯研究所所长

 

2007年5月10日

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