高瓦斯易燃煤層綜放面瓦斯治理技術研究

　　摘　要　介紹了陽泉礦區在高瓦斯易燃煤層采用綜放 開采工藝條件下，利用“U+I”型通風方式，配合頂板走向高抽巷抽放上鄰近 層瓦斯綜合治理的技術，使工作面實現年產200萬t的生產能力的試驗情況以及瓦斯治理效 果。
　　關鍵詞　　高瓦斯易燃煤層　瓦斯抽放　瓦斯治理　陽泉礦區
　　 陽泉是全國聞名的高瓦斯礦區，陽煤集團6個礦均為高瓦斯礦，其中兩個礦為煤 與瓦斯突出礦井，綜放工作面瓦斯絕對涌出量一般16.26～65.16 m3/min，煤層 存在 自然發火危險，若不能采取有效的治理瓦斯、防治自然發火的技術措施，稍有疏忽就會釀成 大患。受此制約，陽煤集團90年代綜放面產量一直徘徊在100萬t，最好的也僅產150萬t 。因此，要想進一步發揮綜放工作面高產高效的作用，就必須在瓦斯治理方面取得新的突破 ，并且還必須在治理瓦斯的同時解決煤層自然發火的問題。
為此，2000年陽煤集團以綜放面年產200萬t為起點，對瓦斯治理技術進行攻關研究，決定在 一礦81002工作面采用以“U+I”型通風方式，配合頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯的綜合治理技術。
　　1　試驗工作面概況
　　81002工作面走向長1319m，傾斜長180m，煤層賦存穩定，結構簡單，平均煤厚7.09m,預 計瓦斯涌出量40 m3/min以上，煤層有自然發火傾向。工作面采用ZFSB4200－1.7／2.8型 低 位放頂煤支架,AM-500采煤機,前后工作面刮板輸送機為SGZ-764/500和SGZ-764/630型,割煤 高度2.5m,采用兩采一放,截深0.6m,一次循環1.2m,四六制作業。
　　2　工作面布置方式
　　2.1　通風方式
　　81002工作面采用“U+I”型通風方式，一進兩回布置，進回風巷沿煤層底板布置，采用鐵棚 支護，斷面為9m2；內錯尾巷水平距回風巷10m,沿15號煤層頂板布置,采用錨桿支護,巷道 斷面8m2,用于解決工作面回風落山角瓦斯問題。
　　2.2　抽放方式
　　工作面抽放方式采用頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯。多年來對綜放工作面頂板巖石 活動規律的研究表明，工作面開采過后，采空區內的頂板巖石破壞過程可分為“三帶”，即 冒落帶、卸壓帶和彎曲下沉帶。抽放通道的布置層位應處于卸壓帶范圍內，卸壓帶范圍內的 頂板巖石活動是一個循環動態過程，從瓦斯涌出規律和抽放效果來看，這一過程分為三個階 段，稱為頂板卸壓開始期、卸壓活躍期和卸壓衰退期。
　　頂板卸壓開始期為工作面頂板開始活動直到直接頂垮落、老頂開始離層這一階段。范圍為工 作面前方5m至采空區后25m，這一階段的冒落高度為頂板以上12.5～18m。
　　頂板卸壓活躍期為老頂離層加劇開始冒落到逐漸被壓實這一階段。范圍為工作面采空區25～ 129m，這一階段的冒落高度為頂板以上27.5～40.5m。
　　頂板卸壓衰退期為冒落巖石逐漸被壓實到采空區壓實區這一階段。范圍為工作面采空區129m 以后，這一階段的冒落高度為頂板以上40.5 ～ 68.3m。實際上此范圍破碎頂板由于逐漸壓 實，頂板冒落帶與裂隙帶已無明顯分界，冒落巖石呈有序排列并不破壞。
　　以上分析表明，理想的抽放段為頂板卸壓活躍期，抽放通道布置層位為工作面頂板40.5m 以上。如圖1所示。
2.3　走向高抽巷布置參數
走向高抽巷布置參數選擇，除了應考慮布置在冒落帶以上以外，還應考慮布置在鄰近層密集 區，以便有效地抽放鄰近層的瓦斯。因此，走向高抽巷布置層位確定為自工作面頂板以上43 .8m處的12號煤層中。該層位為上鄰近層9、10、11、12、13號煤和K2、K3灰巖密集儲集瓦斯 層段。走向高抽巷距回風巷水平距離40m,走向高抽巷終端距切巷5m，走向高抽巷斷面5m3 。其布置方式如圖2所示。
　　圖1　影響瓦斯抽放的頂板巖石卸壓三個階段示意圖 （略）
　　圖2　81002工作面巷道布置平面、剖面圖（略）
　　3　走向高抽巷抽放瓦斯效果分析
　　3.1　 工作面開采期間瓦斯涌出情況
　　81002工作面初采推進到10m以前，由于直接頂尚未斷裂，頂板未卸壓，工作面的瓦斯主要來 源于本煤層割煤和放煤過程中，其絕對瓦斯涌出量3.75 m3/min。隨著工作面的逐漸推進 ， 直接頂逐漸冒落，頂板開始卸壓，工作面推進到17m時，瓦斯涌出量增大到14.34m3/min， 工 作面瓦斯出現第一次高峰，大量瓦斯通過內錯尾巷排出。當工作面推進到24～34m時，直接 頂垮落，老頂開始活動，高抽巷開始抽出瓦斯，抽出量達到14.66～31.8 m3/min，工作面 瓦 斯涌出量增大到43.42 m3/min，出現第二次高峰，當工作面推進34m以后，老頂開始垮 落 ，高抽巷大量抽出瓦斯，工作面風排瓦斯量穩定在10 m3/min左右。見圖3和表1所示。 
　　圖3　工作面初采頂板卸壓高度、推進度與瓦斯涌出關系圖（略）
　　圖4　 81002工作面抽放量、抽放濃度與推進度的對比圖（略）
　　3.2　 瓦斯抽放率分析
　　81002工作面開采至24m后，高抽巷開始抽出瓦斯，抽出量14.66m3/min，工作面開采至34m 時 ，走向高抽巷抽放瓦斯量達到31.8 m3/min。在工作面整個開采期間，高抽巷抽放濃度為2 7.6%～48.4%，最大抽放瓦斯量51.47 m3/min，平均抽放瓦斯量33.7 m3/min。見表2所示。
　　工作面瓦斯抽放量與抽放濃度在工作面開采期間，與工作面推進速度關系不明顯，與高抽巷 的布置層位關系密切，根據綜放工作面上覆巖層活動規律的研究結果，走向高抽巷布置層位 在距15號煤頂板43m左右的12號煤層中，該位置處于破壞冒落帶（40.5m）和裂隙帶的過渡層位附近，易于與采空區連通，所以其抽放濃度較低，在工作面整個開采期間，高抽巷的抽放濃度始終在27.6%～48.4%之間變化，如圖4所示。而走向高抽巷布置在距開采 層50m以上的其它綜放工作面抽放濃度均在60%～80%左右，因此，高抽巷的布置層位應處于 頂板冒落高度1～1.5倍采高以上為宜。
　　表1　 81002工作面風排、抽放瓦斯量（略）
　　表2　81002 工作面走向高抽巷抽放效果（略）
　　 表281002工作面走向高抽巷抽放效果。工作面抽出率：〖BP)〗 81002工作面在開采期間，由于抽放的濃度較低，為了提高工作面的抽出率，只有加大抽放 量。因此，只有合理地調節抽放負壓才能保證工作面的抽放量。81002工作面在開采過程中 ，根據工作面推進速度適當調節抽放濃度取得了很好的效果。
工作面推進度　　　　抽放負壓
S＜1m/日　　　　　　1～5kPa
S=1～2m/日　　　　　5～9kPa
S＞1m/日　　　　　　9～14kPa
　　總之，在工作面走向高抽巷布置層位偏低的情況下，通過合理選擇與調節抽放負壓，有 效地提高了工作面的抽放混合瓦斯量，保持了良好的瓦斯抽放效果，鄰近層抽出率達到了82 .1%。　　
　　4　工作面內錯尾巷排放瓦斯效果分析
　　由表1可知，81002工作面平均瓦斯涌出量為44.8m3/min,其中風排瓦斯量11.1m3/min， 占總 量的24.78%。在風排瓦斯量中，回風巷排放了2.89～5.57m3/min,平均4.35m3/min,占風 排總 量的39.19%；內錯尾巷排放瓦斯量3.74～8.64m3/min，平均為6.75m3/min，占風排總量 的60 .81%。由此可知，由于內錯尾巷處于工作面落山角上部有利部位，有效地控制了工作面除高 抽巷抽放以外的采空區瓦斯，大大減輕了工作面回風風排瓦斯的負擔。同時也改變了“U” 型 通風方式下，回采工作面落山角處于唯一高負壓區的狀態，從根本上解決了綜放工作面回風 落山角瓦斯超限問題。
　　在初采期間，當工作面推進17m時，瓦斯涌出出現第一次高峰，風排瓦斯量達到14.34 m3/ m in,當時工作面回風瓦斯濃度0.4%,落山角瓦斯濃度0.5%,尾巷瓦斯濃度2.5%,第一次瓦斯涌出 高峰沒有對工作面產生任何影響；當工作面推進 24m時，瓦斯涌出出現第二次高峰，走向高 抽巷開始抽出瓦斯，工作面總瓦斯涌出量43.42 m3/min,其中抽放量14.66 m3/min,風排 瓦斯 量短時間達到28.76m3/min,當時工作面回風瓦斯濃度0.8%,落山角瓦斯濃度1.3%,內錯尾巷 瓦斯濃度持續144min超過3%,尾巷瓦斯遙測斷電儀斷電停產。此后，高抽巷抽放量逐步增加， 風排瓦斯量逐步減少，尾巷瓦斯濃度降至2.5%以下。當工作面推進到34m時，瓦斯涌出出現 第三次高峰，此時，高抽巷抽放達到正常抽放量，風排瓦斯量減少到0.7%以下，尾巷瓦斯濃 度降至1%～2.5%，第三次瓦斯涌出高峰也沒有對工作面產生任何影響，初采結束。 
　　81002綜放工作面的初采情況表明，走向高抽巷布置在12號煤層中，雖然對整個工作面抽放 濃度有一定的影響，但對解決初采期瓦斯具有明顯效果，工作面推進24m時就開始抽出瓦斯 ，和布置在10號煤層中的高抽巷相比，始抽距離提前10m 以上。由于工作面布置了內錯尾巷 ，初采期間大量瓦斯均從內錯尾巷排放，工作面回風和落山角沒有發生瓦斯超限，內錯尾巷 僅短時間出現瓦斯超限，在整個初采期間，通過合理調節工作面回風巷和尾巷風量，使尾巷 瓦斯始終保持在較低的水平。 
　　5　綜放工作面安全情況分析
　　81002綜放工作面走向高抽巷，控制了上鄰近層82.1%的瓦斯向生產空間涌出；內錯尾巷分擔 了工作面風排瓦斯量的60.1%，由于其綜合作用，81002工作面在正常生產期間，回風巷風流 瓦斯濃度一般在0.3%～0.7%，回風落山角瓦斯濃度一般在0.5%～1.0%左右，尾巷瓦斯濃度一 般 在1.0%～2.5%左右，除初采期發生過短時間尾巷瓦斯超限以外（其他工作面采用中低位后高 抽巷已完全解決了初采期瓦斯問題），已從根本上解決了綜放工作面瓦斯問題。為綜放工作 面安全生產創造了有利條件，同時也取消了外部局扇稀釋回風落山角瓦斯的辦法，工作面也 從未發生煤層自然發火征兆。使得81002工作面年產創造了201萬t的公司最高記錄，平均月 產達到167500t，最高月產達到224123t，為集團公司在高瓦斯易燃煤層的條件下，闖出了一 條適宜綜放工作面高產高效、安全生產的新路。
　　6　結論
綜放工作面頂板走向高抽巷布置在距15號煤層43m的2號煤層中，抽放負壓保持在0.98～13.7 kpa時，抽放濃度在27%～50%左右，平均41%，抽放瓦斯量10.76～51.47m3/min，平均33.7 m3 /min，占工作面瓦斯涌出總量的75.22%，有效地控制了上鄰近層瓦斯向工作面開采空間的涌 出，在瓦斯治理過程中起到了決定性作用。適當提高走向高抽巷的布置層位，可有效提高抽 放濃度和抽放量。　　綜放工作面采用“U+I"型通風方式，內錯尾巷風排瓦斯量平均6.75 m3/min，占總排風量 的 60.81%，有效地控制了工作面采空區瓦斯向回風落山角的積聚，減輕了回風巷排放瓦斯的負 擔，從根本上解決了綜放工作面回風落山角瓦斯超限問題。
　　走向高抽巷、內錯尾巷的布置方式，減少了采空區的漏風通道，克服了外錯尾巷、傾斜高抽 巷易引發采空區自然發火的弊端。
　　81002工作面治理瓦斯的效果證明,頂板走向高抽巷配合"U+I"型通風方式,在高瓦斯、易燃煤 層條件下,使得81002工作面年產創造了201萬t的公司最高記錄，使綜 放開采這一高產高效工藝在高瓦斯易燃煤層中得到徹底解放，2001年產量202萬t，2002年上 半年132萬t，預計年產能突破250萬t以上。