高瓦斯自然煤层深部新水平首采工作面
瓦斯涌出特征及治理技术研究
边俊国
阳泉煤业集团有限责任公司
二〇〇七年五月十日
高瓦斯自燃煤层深部新水平首采工作面
瓦斯涌出特征及治理技术研究
摘 要 本文就阳泉矿区高瓦斯自燃厚煤层在新水平首采K8206工作面，从初采期瓦斯治理，煤质松软滚帮塌顶治理，抽放系统不完善采取对策，过构造区瓦斯涌出特征，防治自燃发火措施和上部解放层的瓦斯情况，按时间顺序分别论述了各个阶段的特征及采取的对策。通过分析，揭示出厚煤层首采面各种因素对通风瓦斯的影响程度，认识到大采长大走向高产高效工作面的瓦斯涌出规律。本煤层瓦斯影响程度相对较大，但关键还是解决邻近层瓦斯。提出建议，应从完善通风系统、抽放系统上作文章，同时灵敏准确可靠的监测系统是安全的第二道防线，并将该面作为阳泉矿区高产高效瓦斯治理技术试验面和首个上行开采试验面。
关键词 高瓦斯自燃煤层 瓦斯涌出特征 治理技术
阳煤集团为探索高产高效集中生产的路子和瓦斯治理技术途径，在阳煤三矿15#煤扩二区设计了大采长大走向工作面，采用了国内先进的ZF6200—1.7/3.2型低位放顶部液压支架，SGI—1000/1400型运输溜，在开采过程中受到许多地质条件、通风瓦斯的影响，走了曲折坎坷的探索之路。
一、工作面概况
1、地质概况
阳泉煤业集团煤系地层属石炭二叠系的太原组和山西组，自上往下排列共有15层煤，其中3#煤和15#煤为主采煤层。
阳煤集团三矿15#煤扩区首采的工作面为K8206，所采15#煤属高瓦斯煤层和Ⅲ级自燃发火煤层，净煤厚6.71米，煤结构复杂，含三层主要夹石，煤坚硬系数0.5—2.0，大部分煤质松软。
15#煤上覆可采煤层为12#煤、3#煤，其余为局部不可采煤层，15#至12#煤层间距45米，12#煤未采，属高瓦斯煤层。15#煤至3#煤层间距140米，3#煤局部已采，属高瓦斯突出煤层。
K8206工作面整体为单斜构造，顺槽口高，工作面低，煤层等高线为580—510米，盖山厚度平均520米。
2、工作面通风概况
K8206工作面有效走向长1580米，采长252米。工作面布置四条通风巷道，分别是工作面进风巷、回风巷、内错尾巷、走向高抽巷。进回风巷布置在煤层下部，内错尾巷布置在煤层上部，平行回风巷与回风巷水平距离28米，走向高抽行布置在距15#煤51米以上的11#煤岩层中，11#煤厚0.1米，大部分尖灭。同时布置伪倾斜高抽巷，解决初采瓦斯，具体见K8206工作面布置图（图1）。
工作面掘进期间最大瓦斯涌出量为4.73立方米/分钟，预计回采期间绝对瓦斯涌出量最大120立方米/分钟，工作面计划配风量1525立方米/分钟。
二、工作面瓦斯涌出特征及防治技术
1、初采期瓦斯涌出量异常
K8206工作面于2006年1月1日正式试生产，工作面入风1572立方米/分钟，初采4天推进8米，工作面风流瓦斯经常达到1.5%，机载断电仪频繁断电，回风流瓦斯浓度达0.7%，最大0.9%。本煤层瓦斯涌出量最大为9.52立方米/分钟，分析原因是工作面煤层松软富含瓦斯，随着采空区空间的加大部风风量漏入架后老塘造成工作面风流瓦斯超限。解决办法：增加风量，通过调改风，将入风量增加为：2542立方米/分钟，本煤层瓦斯问题暂时得到缓解。
随着工作面的推进，邻近层瓦斯越来越大。为解决初采期邻近层瓦斯，布置了伪倾斜高抽巷，并与岩石高抽巷贯通，但由于抽放管路长施工质量差，漏气量大，抽放泵站负压小。推进14米后，伪倾斜高抽巷抽放瓦斯9.4立方米/分钟，浓度42%。1月29日工作面推进42米后总抽瓦斯量为27.75立方米/分钟，邻近层抽出率仅为42.7%，上隅角频繁超限，有时瓦斯持续不降，回风巷内错尾巷瓦斯浓度经常超过规定值。风排瓦斯总量最高时达60立方米/分钟，为建矿以来罕见，分析原因认为，该面本煤层瓦斯固然大，但主要还是邻近层瓦斯影响。经集团公司研究决定，重新建立抽放泵，将10000余米瓦斯管进行堵漏风处理，提高抽放率。
2、煤层松软破碎透气性好加大了瓦斯涌出量
阳煤集团15#煤层坚固性系数一般在1.0—2.0，煤层赋存稳定。该面初采结束后，邻近层瓦斯抽放量增加，但由于抽放管路经常出现断裂漏气等故障，抽放泵站不能正常运行，改为移动泵站抽放，抽出率低是影响通风瓦斯的主要因素之一，同时还有一个主要因素是，工作面从进风方向60米以后，煤层层理乱，节理发育破碎松软，给瓦斯管理带来不利因素。①经常出现大面积滚帮、塌顶，塌顶时的瓦斯大量涌向工作面，持续较长时间才降下（见附图二）。②在内错尾巷附近塌顶造成工作面风流短路，上隅角瓦斯积聚。处理方法，降低采高，在内错尾巷前、后10米割底通过，一旦塌透，立即用风帐木板等封堵减少漏风。
针对滚帮塌顶的问题，采取了煤层注马丽散胶体凝结加固煤体的办法。从3月份至5月份，沿走向采松软煤层190米，注马丽散34吨。注马丽散胶后，瓦斯涌出量有小幅度减少。
3、地质构造区瓦斯涌出量大，是正常情况下的1.5—1.7倍
地面抽放泵站于2006年3月施工，于5月底建成投运，投运后泵站抽放量比原先增加78.6立方米/分钟，参数对比见附表一。
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项目 |
地点 |
瓦斯浓度 % |
负压（mmH2O） |
混合量（m3/min） |
纯瓦斯量（m3/min） |
± |
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旧泵站 |
井下高抽巷口 |
70 |
45 |
99.7 |
69.8 |
|
|
新泵站 |
井下高抽巷口 |
45 |
220 |
329.7 |
148.4 |
﹢78.6 |
新泵站投运后，邻近层瓦斯抽放量是原先的2.12倍，占到总瓦斯量的（风排瓦斯量27.81立方米/分钟）84.2%。可是上隅角瓦斯回风巷瓦斯反而比原来大，超限断电更频繁。分析其原因主要是，5月下旬工作面进入向斜区至7月下旬走出向斜区共计推进约250米，这250米是该面瓦斯涌出量最大，断电次数最多，时间最长的时期。参数见附表二。
在过构造期间，主要采取两项措施。①加大邻近层瓦斯的抽放量和内错尾巷的排放量。6月、7月份，邻近层瓦斯平均抽放量分别是，151.6立方米/分钟和169.5立方米/分钟，为全年最高。②加强现场通风瓦斯管理，做到瓦斯超限必须停止生产，每班校对瓦斯传感器，每天进行瓦斯电闭锁试验，确保瓦斯监控系统灵敏准确可靠，通风、安检干部跟班上岗，严格落实和督查有关管理措施 。
4、煤层瓦斯含量与埋藏深度成正比
K8206工作面为顺槽口高，工作面低的单斜构造，顺槽口煤层标高＋580米，工作面煤层标高＋510米。通过与一水平K8110工作面和本工作面瓦斯涌出情况对比分析认为：
①同一煤层不同水平瓦斯涌出量相差很大，参数见附表三
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工作面名称 |
配风量（m3/min） |
风排瓦斯量（m3/min） |
邻近层抽放量（m3/min） |
相对涌出量（m3/t） |
煤层标高（m） |
巷道布置 |
|
一水平K8110 |
800—1200 |
11.4 |
54.5 |
17.2 |
＋570—＋590 |
一进两回加高抽巷 |
|
二水平K8206 |
1900—2500 |
23.3 |
113 |
24.5 |
＋510—＋580 |
一进两回加高抽巷 |
|
二水平与一水平对比 |
＋1100—1300 |
2.04倍 |
2.07倍 |
＋7.3 |
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②同一工作面瓦斯涌出量随埋藏深度而增加
从现场瓦斯观测和数据统计可以看出：工作面初采期间煤层埋藏最深，在初采集中应力作用下，瓦斯涌出量比较大。
初采结束后，随着煤层由低向高推进，瓦斯量趋于下降，但进入构造区时（向斜轴部），瓦斯涌出量又明显增大。
5、3#煤层采空区成为上部邻近层的排放层，工作面瓦斯明显降低。
上邻近层3#煤与15#煤层间距离为140米。K8206工作面530米—1150米范围内对应上覆3#煤层分别是3#煤的K7209和K7205工作面，3#煤工作面与15#煤工作面垂直布置。K7209工作面为3#煤综采面，倾斜长150米，有效走向长850米，工作面开采推进85米后停止采煤，作为15#煤层采过后再开采的试验面，已停产9个月。K7205和K7207为已采工作面永久封闭。当K8206工作面推进入K7209工作面区域后，K7209工作面的回风巷、尾巷的瓦斯浓度骤增，由原来的2.1立方米/分钟增加到49立方米/分钟。根据全风压风排瓦斯量，认为15#煤层采过后，其上部岩层裂缝与3#煤巷道连通，上部6#、4#、3#煤层瓦斯通过K7209回风巷、尾巷排出。为保证3#煤K7209通风安全，集团公司决定将K7209工作面封闭，利用抽放系统抽排3#煤瓦斯。通过观测，从K7209抽出的瓦斯浓度50%，纯瓦斯量21.9立方米/分钟。从2006年7月29日抽放后，K8206工作面抽放总量比原先略有降低，工作面瓦斯超限次数也明显降低，至2006年11月20日停止抽放，工作面抽放量降为87立方米/分钟，工作面瓦斯很少超限。
6、防治自然发火措施
该面所采15#煤经鉴定为三级自燃煤层，由于受地质、煤质条件影响，推进度不稳定，为此我矿采取以下防火措施。
①合理配备风量，保持进回风巷道断面，降低通风阻力，缩短供氧带。
②合理通风系统减少采空区漏风，内错尾巷、走向高抽巷均为正向抽排，即抽排方向与工作面推进方向一致。
③加强一氧化碳、温度的监测分析。在回风巷和内错尾巷设置一氧化碳和温度传感器，通风瓦检人员配备一氧化碳检定仪，检查工作面架下一氧化碳，发现一氧化碳立即分析处理，同时每月提取内错尾巷和高抽巷气样进行化验分析。
④放净顶煤，减少采空区遗煤，减少煤氧化生热量。
三、综合分析结论
K8206工作面为阳煤集团首个厚煤层无解放层大走向、大采长的高产高效面，该面的瓦斯涌出量创阳煤集团建企以来最大记录。经过一年的反复治理研究探索，认为：
①、大采长工作面的采长比一般工作面（采长180—200米）增加30%，但瓦斯生成量却是一般工作面的2倍。
②、瓦斯频繁超限，该面一年共超限907次，超限时间24059分钟。从瓦斯超限分布和超限时间比例分析，上隅角超限时间占总时间的57.6%，回风巷占39.2%。上隅角瓦斯大说明内错尾巷和高抽巷排放能力不足，有待研究提高。
③、15#煤层随着埋藏深度的加大，瓦斯含量也明显加大。本煤层瓦斯量与煤层坚固性系数成反比。本煤层瓦斯主要在初采期和地质构造应力集中带涌出大。据统计，初采期本煤层瓦斯是本煤层平均瓦斯量的1.6倍，软煤层和地质构造是本煤层平均瓦斯量的1.2—1.6倍。
④、构造区瓦斯涌出异常。该面2006年5月、6月、7月在构造区开采，5月份由于抽放系统还不完善，抽放量小，瓦斯超限最多，时间达8547分钟，6月、7月抽放正常后，邻近层抽出率分别达88%、85.2%，但瓦斯超限仍然频繁，分别是6608分钟和4834分，过构造区瓦斯涌出总量达到最大，过构造区的3个月，产量占全年的27.7%，瓦斯超限时间占到全年的83%。
⑤、邻近层瓦斯是制约工作面通风瓦斯的关键，必须使邻近层瓦斯抽出率高于85%，力争达到90%以上。该面初采后，瓦斯治理的最大缺陷就是：抽放能力不足，管理系统故障多，依靠移动泵抽放。据统计，1—5月份抽放不正常时，邻近层抽出率平均为62.2%，6月—12月份平均为86.1%，8月份以后的5个月瓦斯超限时间占全年的6.2%，产量占全年的42.8%。
四、建议
1、上隅角瓦斯主要依靠邻近层抽放和内错尾巷排放。目前大采长工作面在平行回风巷20—30米布置一条内错尾巷，不能有效排放支架后大面积采空区的瓦斯，建议增加一条内错尾巷，布置在距回风巷80—100米的范围内。目前阳煤集团已进行试验。
2、大采长工作面，由于采长增加采空区冒顶的高度范围也增大，走向岩石抽放巷的层位和伸出参数选择至关重要，层位应选择稍高或适当缩短伸出。
3、15#煤与3#煤层间距140米，3#煤可作为15#煤上部邻近层的抽排放层。3#煤是煤与瓦斯突出煤层，如果将15#煤层作为3#煤的解放层，待15#煤开采后再采3#煤，实行上行开采，是探索更有效防治煤与瓦斯突出的一条技术途径。
阳泉煤业（集团）有限责任公司 通风部
边俊国
二〇〇七年五月
附图一：K8206工作面平面布置图
附图二：工作面塌顶时瓦斯超限趋势图
附图三：瓦斯量随煤层变化趋势图
附表一：新旧抽放泵站抽放量对比
附表二：2006年K8206工作面产量瓦斯量和断电时间统计表
附表三：K8206与K8110瓦斯量对比
个人简历
边俊国，男，42岁，大学学历，通风工程师。从1985年毕业一直在通风区从事技术管理工作，历任阳煤集团三矿通风区主任工程师、生产副区长、区长，矿通风副总工程师，现任阳煤集团通风部总工程师。重点参与了多项科技项目并获奖，在市级、国家级煤炭刊物发表飞禽走兽老虎机多篇。
通讯地址：阳泉煤业（集团）有限责任公司 通风部
联系电话：0353—7081729 13835323910
