二矿15号煤层综放面瓦斯综合治理技术研究
田根万
摘 要 针对阳煤二矿高瓦斯综放面瓦斯涌出量大，严重制约安全生产的问题，本文主要介绍了在高瓦斯易燃煤层综放面，根据瓦斯涌出特点，通过对上覆岩层活动规律的分析，确定了合理的通风方式和有效的抽放方式，以及初采期瓦斯治理技术的内容，使综放开采工艺在高瓦斯易燃煤层实现了高产高效的技术优势。
关键词 高瓦斯 易燃 抽放巷
概况
阳泉煤业集团有限责任公司二矿东距阳泉市约5km，其地理坐标为东经113°25′17″～113°33′07″,北纬37°46′44″～37°52′19″。井田东部为大阳泉井田，西部为西上庄井田，南部与五矿井田相邻，北部以石太铁路为界，隔桃河与三矿、四矿相望。井田走向长约8km，倾向长约7.8km，面积为62.4km2，截至2006年底全矿剩余可采储量46705.8万吨，其中15#煤可采储量23332.7万吨，约占全矿可采储量的50.0%，现有一对生产井口---西四尺井。井田内地形陡峻，沟谷纵横。东部最高为狮脑山，高程1171.0m，西部最高为龙门山，高程1246.9m，最低处为井田北界桃河，高程约700m，相对最大高程差达540余m。本区植被不太发育，大部分地区基岩裸露于地表。
井田内含煤地层为下二叠统山西组和上石炭统太原组。煤系地层总厚度149--210m，含煤11-15层，煤层倾角一般5-10度，主采煤层为3#、8#、15#煤层，媒质均为变质程度较高的无烟煤。其中：
山西组地层总厚度54～82m，平均60.23m，含煤层4～6层，煤层总厚度平均4.42m，含煤系数7.34%；可采煤层为3#、6#煤，总厚度平均3.14m，含煤系数5.21%。
太原组地层总厚度95～130m，平均118.67m，含煤层7～9层，煤层总厚度15.17m，含煤系数12.78%；可采煤层为8#、9#、12#、13#、15#煤层，煤层总厚度14.68m，含煤系数12.37%。
15#煤层是二矿主采煤层，煤层厚度一般在6.5m左右，在开采工艺上，经历了炮采和普采，采用人工做假顶分三层自上而下开采；在用综采开采时用金属网做假顶分两层开采，随着矿井高产高效进度加快，到1990年，15#煤煤开层推广使用综采放顶煤工艺一次采全高。
不同的开采工艺，工作面的瓦斯涌出量也不同，15#煤煤层本身瓦斯含量及瓦斯压力都不大，开采煤层瓦斯涌出量是很小的，本煤层瓦斯涌出主要来自采落煤块及开采中暴露的煤壁瓦斯涌出。
一、采用自上而下层层释放的开采顺序瓦斯涌出
这种采煤方法，工作面产量相对较低，开采时瓦斯涌出量普遍较小，采煤工作面绝对瓦斯涌出量在1m3/min以下，能在正常通风条件下，工作面采用一进一回系统将瓦斯释放到安全浓度以下排出，我矿分层开层时，工作面瓦斯统计如下：
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工作面编号 |
绝对瓦斯涌出量 m3/min |
相对瓦斯涌出量 m3/t
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备注 |
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8108上层 |
0.36 |
3.191 |
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中层 |
0.4 |
4.890 |
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下层 |
0.58 |
2.74 |
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8301上层 |
0.84 |
2.17 |
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中层 |
0.57 |
4.98 |
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下层 |
0.61 |
3.45 |
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二、开采15#煤布置综采放顶煤工作面，综放工作面瓦斯绝对涌出量达到了36-150m3/min，而且开采15#煤层有自然发火倾向。
1 、 综放工作面瓦斯涌出规律及分布状态的研究
1）15#煤层上部赋存14#煤层和三层（K4、K3、K2）石炭岩，均含瓦斯。
通过对综放面生产过程中瓦斯涌出量的分析，得出了综放工作面瓦斯涌出主要由本煤层和上邻近层瓦斯涌出构成。本煤层瓦斯涌出较小，约占工作面总瓦斯涌出量的10%左右，邻近层瓦斯涌出约占90%左右。
2）综放工作面配风650-1100m3/min，从工作面进入采空区前部范围内存在紊流与层流混合过渡区，从工作面进入采空区后部以后，为层流区，气体处于渗流流动状态，瓦斯大量积存，且浓度较高。
2 、 综放工作面邻近层瓦斯抽放技术
1）通过对综放工作面上覆岩层活动规律的研究，综放工作面开采过程中，从岩石破坏角度分析，确定存在冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带与裂隙带分界明显，最初冒落时，冒落带之间有可见之空间，压实区冒落带岩石排列紊乱无序且破碎，裂隙带岩石排列有序破坏程度小。
综放工作面开采过程中，从瓦斯卸压涌出角度确定，顶板岩石存在有卸压开始期、卸压活跃期、卸压衰退期、工作面采空区后的压实区。
2）根据综放工作面瓦斯涌出及来源特点，通过在多个工作面瓦斯抽放总结，总结得出瓦斯抽放通道合适的布置层位为7-10倍采高
采用顶板走向高抽巷抽放上邻近层瓦斯，在正常开采期间瓦斯抽放率达到90%以上，平均抽放量50m3/min左右。抽出率高，通风负担最小，能保证综放工作面回采期间瓦斯浓度保持在0.5%以下。
3 、 综放工作面初采期瓦斯治理技术
二矿采用综放工艺开采的15#煤层厚度约6.5m左右，覆盖层厚度在260~650m之间。据统计，综放面一般为47~78m3/min，其中，上临近层瓦斯占86%~90%。在未采取措施的情况下，由于矿井通风负压的作用，在上隅角和内错尾巷里端形成负压区，使上隅角和内错尾巷的瓦斯经常超限。内错尾巷初采期瓦斯浓度最高曾达17%，无法进行生产。
综放工作面开采初期，本煤层瓦斯随煤体的破碎从煤体中解吸涌入回采工作面，15#煤层上覆岩层及邻近层受采动影响，产生大量裂隙并不断垮落，赋予于其中的瓦斯卸压，沿裂隙涌入回采工作面。在初采期，随着工作面的向前推进，绝对瓦斯涌出量总体上有逐渐增加的趋势，随着工作面推进距离的增加，其波动性增大，极具不均衡性，综放工作面从切巷推进至17m左右时，绝对瓦斯涌出量出现第一次峰值，一般为10m3/mi左右，推进至25m左右时，绝对瓦斯涌出量出现第二次峰值，此时峰值一般为工作面初采期间回风巷风排绝对涌出量的最大值，推进至35—40m时，出现第三次峰值，一般从此时开采高抽巷开始抽放瓦斯，回风巷浓度很快降低。
①综放工作面初采，瓦斯涌出不正常，大顶未垮落，采空区空间大，空间容易积聚瓦斯，大顶不间断地垮落，把采空区的瓦斯排挤出工作面，由于受压力影响，往往上隅角出现瓦斯超限，为了解决工作面初采瓦斯超限问题，工作面回风铺设一趟∮380mm瓦斯管，并与对旋抽出式风机连接，管路每隔20m设一个同直径的三通，并上好档盘，当回风巷抽放管的每个三通进入落山采空区之前，取掉挡盘，用铁丝网罩住三通，防止煤矸掉入，并在三通附近批一个木垛，保证了抽放效果，工作面上隅角瓦斯超限问题基本得到解决。
②使用2×15对旋抽出式风机时，实际排风量在76—180m3/min之间，抽放负压在2850—4000Pa之间，风排瓦斯量为1.01 —6.86m3/min,最大达9.68m3/min。当综放工作面回风排放瓦斯量小于4.5m3/min，且抽出式风机抽放瓦斯量占到回风排放量30%以上时，基本上可保证工作面回风上隅净瓦斯不超限，但把瓦斯直接排放到采区回风，而且抽放浓度受到限制，不利于安全生产。
③采用后中低位抽放巷技术方法虽然收到了较好效果，但是在回风巷必须铺设一趟专用抽放管路Ф220mm，并随工作面的推进被埋压入已采区，管路里端穿过闭墙与后中低位抽放巷连通，受采动影响后闭墙易漏风，管路内的瓦斯浓度为5%~20%。不仅影响抽放效果，更直接构成了重大瓦斯事故隐患；另外系统较复杂，施工与管理难度大，且抽放方向与推进方向相反，为采空区深部提供了供氧条件，对有自然发火倾向的15#煤不利于自燃灾害的防治。
通过对综放工作面初采期瓦斯涌出情况的分析可知：导致瓦斯超限和停产的根源是上临近层瓦斯。因此综放工作面初采期治理瓦斯的关键是提高抽放效果，采用一条小断面斜巷，将上隅角与走向高抽巷尾部连通，就完全可以利用走向高抽巷排放初采期上临近层瓦斯，使初采期上临近层瓦斯在高抽巷的抽放负压作用下及时排出。该斜巷要布置在顶板初始冒落的边缘带上，使之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，直至顶板冒裂高度与高抽巷连通。
综放工作面利用一条倾斜高抽巷和上部走向高抽巷末端连通后，近距离邻近层瓦斯不再利用回风埋管，而通过12#煤走向高抽巷抽出，该巷距15#煤层的垂直间距平均45m 左右，与回风巷的水平距离约30m，抽放巷终端距15#煤层距切巷水平距离7m。采用此措施后，瓦斯抽放量得到了增加，抽放量达到50—120m3/min，降低了矿井回风瓦斯浓度。不仅使工作面风排瓦斯量减少了60%以上，工作面配风降低53%，回风巷瓦斯浓度降至0、5%以下，而且使综放面初采瓦斯涌出影响安全生产问题得到了彻底的解决，并且它具有以下特点：
1）工作面初采瓦斯抽放率高，消除了初采期瓦斯超限隐患，实现了安全、高效生产。
2）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，使高抽巷与上隅角的负压差加大，对瓦斯抽放更有利。
3）简化了抽放系统与管理、根除了因回风巷铺设瓦斯管路所构成的重大瓦斯事故隐患，更安全、更可靠。
4）小断面倾斜巷道施工简单，有利于高进组织。
4 、 综放工作面通风方式
采用“U”型通风，部分上邻近层瓦斯、采空区浮煤释放出的瓦斯，从工作面的回风落山角涌出，易造成瓦斯超限。
“U+L”型通风布置外错尾巷，外错尾巷与回风巷有联络巷相通，存在采空区漏风，虽然有利于缓解落山角瓦斯超限，但会造成过渡风速区范围扩大并向采空区深部移动，增加了氧化时间，给控制采空区自然发火带来了困难。
工作面通风方式由“U+L”改为“U+I”型后，易于控制上邻近层瓦斯和采空区浮煤涌出的瓦斯，防止落山角瓦斯超限。“三带”分布的过渡风速带范围缩小，并前移了约20m，大幅度缩小了氧化带范围，减少了氧化时间，“U+I”型通风有利于预防采空区自然发火。
5、 结论
1）通过理论研究分析和大量现场实践，掌握了综放面上覆岩层活动规律和瓦斯运移规律，确定了在综放面上部7-10倍采高范围，岩层离层充分，瓦斯运移水平连通性好，布置走向高抽巷抽放效果特别明显，是走向高抽巷合理布置层位。
2）结合上覆岩层活动规律特征，在顶板内50-60m位置布置走向高抽巷抽放上邻近层瓦斯，抽出率达到90%以上，抽放量最大可达到100m3/min以上，有效解决了综放面正常开采期间回风巷风流瓦斯超限问题。走向高抽巷的瓦斯抽放机理为正向抽放，且主要抽放上邻近层和围岩内的解吸瓦斯，对采空区“三带”的范围不构成影响，解决了反向抽放可能引起综放面采空区自然发火问题。
3）采用小斜坡高抽巷抽放技术治理综放面初采瓦斯问题，使综放面初采期影响生产及安全的瓦斯超限问题得到了彻底解决，其核心技术为高抽巷布置方式和布置层位。
4）由于存在层间压差，这种抽放式充分利用了采空区裂缝释放瓦斯，提高了抽放率。但是，给矿井防灭了提出了新课题。
总之，二矿高瓦斯自然倾向性煤层综放面瓦斯治理成果，解决了综放工作面瓦斯的难题，并有效地控制了煤层自然发火。在阳泉矿区特大瓦斯的条件下，综放工作面由原来的100万吨/年左右，突破了年产350万吨的水平，创造了阳煤集团综放开采以来的历史纪录，使综放开采工艺在高瓦斯有自然倾向性煤层实现了高产高效的技术优势，创造了巨大的经济和社会效益，具有广阔的推广应用前景。
作者简介：田根万（1966年—），男，矿建工程师 阜新矿业学院 阳煤二矿办公室 TEL:0353-7022813
