突出煤層綜放開采實踐及安全可行性討論
摘要：本文對汪家寨煤礦煤與瓦斯突出危險厚煤層綜放開采過程中本煤層瓦斯治理情況進行分析，并對存在的深層次問題進行探討，對工作面超前煤體狀態進行分區，提出了綜放開采具有煤與瓦斯突出危險厚煤層較同等條件下分層開采具有更高的安全性。
關鍵詞： 綜放開采 煤與瓦斯突出 瓦斯抽放 礦壓 安全
1 概述
突出煤層綜放開采一直是煤炭行業技術管理的禁區， 煤礦安全規程對具有煤與瓦斯突出危險煤層的綜放開采是嚴禁的，而很多礦區多年來一直在進行技術探索和實踐，取得了很好的經濟效益和社會效益。我國綜放開采技術發展已經走過了20多年的歷程，在不斷 完善各項技術的實踐中，克服了一系列技術難題，積累了開采設計、生產工藝、巖層控制、設備配套、安全技術、資源回收、生產技術管理等方面一整套的理論和實踐經驗，實現了不同地質條件下不同層次的高產高效。從綜放工作面礦壓顯現特征及本煤層瓦斯抽放實踐分析可知，綜放開采具有煤與瓦斯突出危險的厚煤層與分層開采相比，引發煤與瓦斯突出災害的條件相對緩和，可減少煤與瓦斯突出的危險性。因而，研究突出煤層綜放開采的安全可行性和通過采取預防措施后進行突出煤層綜放開采實踐是非常必要的，有利于煤礦企業的安全高效，實現較大的經濟效益。
2 國家行業政策有關規定
能源部1992年版煤礦安全規程第64條規定：“煤與瓦斯（二氧化碳）突出的煤層……不得使用綜合機械化放頂煤采煤。特殊情況必須制定安全技術措施報省煤炭局批準”。煤炭工業部煤生字（1995）第104號文件：關于印發<<綜合機械化放頂煤開采技術暫行規定>>的通知第6條規定：“有煤與瓦斯（二氧化碳）突出煤層和發火期在三個月之內的易發火煤層不得使用綜合開采；特殊情況需要綜放時，必須報省（自治區）煤炭局（煤炭廳）批準”。很多礦區的突出煤層綜放均是在1992版規程及煤炭部（1995）第104號文的背景下發展起來的。2001年版煤礦安全規程第一百八十三條規定；“突出煤層嚴禁采用放頂煤采煤法、……”。2004年版煤礦安全規程第一百八十三條規定：“突出煤層中的突出危險區、突出威脅區，嚴禁采用放頂煤采煤法、水力采煤法、非正規采煤法采煤。”到目前為止，全國尚無綜放工作面發生突出現象的記錄。
3 綜放開采礦壓顯現一般認識
綜放開采與單一煤層開采就是一次采高成倍增大，支架上方存在著破碎的、低強的頂煤，稱為“柔性墊層”。由于“柔性墊層”的存在，上覆巖層形成的載荷需通過“柔性墊層”然后才施加到支架上。因此綜放開采礦壓顯現具有以下一般規律：
（1）相同地質條件下，與單一煤層開采相比，綜放開采的支承壓力分布范圍大，峰值點前移，工作面兩巷受采動范圍大，煤層愈軟、愈厚，范圍愈大，峰值點愈前移，但支承壓力集中系數沒有明顯增大。
（2）架前立柱工作阻力一般大于后立柱10%～20%。松軟破碎煤層片幫頻繁，片幫一般呈倒梯形，靠支架頂梁處寬度可達3m，常伴隨漏頂，一般將頂煤全部漏空，直至直接頂冒落。降低采高是控制綜放工作面片幫的有效措施之一。汪家寨煤礦利用馬麗散N高分子材料對頂煤進行化學超前加固也取得了明顯的效果。
（3）根據采場周圍支承壓力分布可知，工作面前方存在自然卸壓和瓦斯排放帶，在這個帶中進行采掘活動不發生突出，在此帶中進行瓦斯抽放抽放量可成倍增加。卸壓和瓦斯排放帶寬度取決于自然條件和開采工藝：（1）、該帶的寬度隨煤層厚度增加而增加，（2）、時間因素對卸壓帶的形成有很大的影響，（3）、頂板懸梁將阻礙卸壓和瓦斯排放帶的形成，頂板懸背梁愈長，卸壓和瓦斯排放帶愈 ，（4）、隨開采深度的增加卸壓帶寬度增加，（5）、與工作面形狀有關，巷道隅角處尺寸最小。
以汪家寨煤礦P41101綜放工作面瓦斯治理情況為例，開采的11＃煤層厚度3.1～11m，具有煤與瓦斯突出危險性，煤層直接頂為1.8～3.0m的灰色泥質粉砂巖，煤層底板為粘土巖、泥巖互層。煤層內部結理發育，層間滑動現象普遍存在，煤層松軟破碎，軟分層較多。該層煤在掘進過程中突出現象時有發生，建礦近40年來共發生過突出及動力現象49次，回采工作面沒有發生過動力現象，1999年推廣綜采放頂煤技術。
本煤層瓦斯抽放采用封閉式高負壓方式，鉆孔布置方式有鉆扇場扇形孔和非鉆場平形孔兩種，抽放管為Φ159mm無縫鋼管，抽放負壓一般末端大于100mmH2O，抽放瓦斯濃度一般為20％～30％。但當鉆場距工作面煤壁70m時，抽放瓦斯濃度開始有所上升；60m～30m時，抽放瓦斯濃度緩慢上升；30m～10m范圍，抽放瓦斯濃度急劇上升；而距工作面5m范圍的煤體抽放瓦斯濃度急劇下降至0。工作面前方本煤層瓦斯抽放濃度變化趨勢見圖1。
從上圖可以說明：由于綜放開采一次采出的煤厚大，采動圍巖（煤）運動激烈程度加大，采場支承壓力峰值強度加大及峰值點向煤壁前方深入，給工作面前方煤體瓦斯運移通路構筑了良好的環境，大量吸附瓦斯析出進入抽放通道，即形成卸壓瓦斯排放帶，該帶寬度可達30m。該可分為瓦斯排放帶（煤壁前約10m）和瓦斯卸壓帶（煤壁前約10～30m），瓦斯卸壓帶的抽放濃度較高。而煤壁附近（10m以內）煤體內生裂隙已得以擴張，并出現許多次生裂隙，煤壁如眼可見縱縱橫交錯的裂縫，因此瓦斯已基本釋放，使抽放濃度較低。實測突出危險敏感指標K1max一般小于0.3ml/g.min1/2。但一煤層綜采本煤層瓦斯抽放曲線無明顯的瓦斯濃度增高區，說明一般只在煤壁附近形成瓦斯排放帶，無明顯的瓦斯卸壓帶。
5 綜放工作面瓦斯短時增大原因分析及防治
生產實踐中經常出現瓦斯短時間內超限，主要為以下幾種情況：
（1）周期來壓期間，煤壁片幫、漏頂時，回風瓦斯濃度增大0.4～0.6％，絕對量增大4.8～8.4m3/min。分析原因主要是工作面煤體及落煤瓦斯大量涌出所至，一般維持1～2天，周期來壓步距為9～10m。這種情況一般處理方法為工作面、回風巷停電撤人，停止生產，待瓦斯濃度降到安全值以下時方可恢復生產，即間斷生產。
（2）采煤機組在工作面上出口時，如上出口不暢通，則風流串到支架頂部及采空區將高濃度瓦斯帶出造成瓦斯超限。解決辦法為加強現場管理，上、下出口開超前出口，保證風流暢通；另外當采煤機組在工作面機尾15m范圍內作業時，采取單行作業，嚴禁放煤、拉移支架。
（3）放煤和機組割煤時，回風瓦斯濃度一般增大0.2～0.4％，絕對量增大2.4～5.6m3/min，瓦斯超限時間不長或基本不超限，可正常生產，但應盡量減少采放平行作業，減少瓦斯短時超限次數，從而保證設備正常運轉，減小因停電而造成設備重負荷啟動。瓦斯易積聚區域分析及防治局部瓦斯易積聚區域大致有上隅角、回風巷靠煤壁段上幫條帶、工作面上段20m范圍內的支架頂部及煤壁區高頂、上出口附近頂部空洞及裂隙等。在上隅角附近，由于風流方向的改變和邊界幾何條件的限制，風流呈渦流形式，使瓦斯易于積聚。主要采取打隔離墻封堵、導風等措施。上幫條帶瓦斯積聚處理方法采取風障導風、打墻隔離、鉆孔抽放等方式進行處理。高頂瓦斯采取打高位鉆孔抽放方式進行治理。高位鉆孔每組4～6個，孔深50～70m，終孔布置位于支架頂板8～10m，以抽放煤壁支承壓力超前裂隙煤體的卸壓瓦斯為主，單孔最大抽放濃度56％，最小抽放濃度21％，抽放瓦斯量0.1～0.3m3/min。上述分析可知，綜放工作面存在瓦斯瞬間涌出的現象，但僅發生在煤壁片幫時，且涌出量僅為每分鐘幾立方，遠小于發生煤與瓦斯突出時的瓦斯涌出量。
6 綜放開采突出煤層安全可行性分析
綜放開采雖然采高較大，但工作面內采煤機落煤高度與分層開采并無多大差異，大量的頂煤借助礦山壓力為動力通過后部輸送機運出。因此在工作面后部有幾倍采高的冒落頂煤被運走，使采空區空間較大，頂板形成的冒落帶高度遠大于分層開采，使采空區支撐應力恢復明顯延長，由工作面開采引起的應力降低區擴大，應力從新分布區值提高，從而有更多的礦山壓力集中作用在煤壁前方，使煤壁前方的應力集中帶向煤壁深部轉移，如圖2示。
放頂煤開采引起的前方應力集中區靠前，減壓區范圍大，裂隙發育有利于瓦斯釋放，工作面前方煤體內瓦斯壓力梯度小，所以放頂煤工作面較分層開采不易積聚瓦斯，煤體中彈性能與應力的平方成正比，放頂煤開采引起的前方應力集中區靠前，減壓區范圍大，使彈性能積聚的區域遠離工作面，煤壁附近的卸壓區煤體起到了抵擋彈性能突然釋放的作用。因而，可以認為，綜放開采較同等條件下分層開采工作面的煤與瓦斯突出危險性相對降低。
6 綜放開采防突措施
雖然從礦壓角度分析綜放開采突出煤層較分層開采突出危險性相對降低，但目前對突出機理的認識尚不足，而且煤礦井下地質條件復雜多變，有許多不可預知的因素存在，因此采取“四位一體”綜合防突錯施是非常必要的。
6.1 區域性防突措施
開采解放層和實施區域性預抽瓦斯是目前綜放開采的常用區域防突措施。我國多礦區用開采解放層的預防性措施，成功開采了具有嚴重突出危險的煤層，如果將開采解放層與區域性瓦斯抽放同時進行效果會更好。汪家寨煤礦開采距突出危險煤層11＃層36m的上解放層7＃煤層前，底板瓦斯抽放巷鉆孔內瓦斯抽放濃度小于30％，抽放1個月后，降至5％以下，單孔流量僅為0.0036m3/min；開采解放層后，抽放鉆孔內瓦斯濃度可達90％以上，單孔流量可達0.22m3/min以上，增大近60倍，且抽放半年后，瓦斯濃度仍保持持在45％以上。
6.2 加強瓦斯地質工作，實施局部防突措施
煤與瓦斯突出與地質構造、煤層厚度變化、埋藏深度等關系密切。因此，加強瓦斯地質工作非常必要，對于構造復雜帶、煤層厚度變化帶等，應采取局部防突措施，常見措施有密集鉆孔卸壓、局部瓦斯抽放、煤層注水、煤體加固等。
7 結論
在煤與瓦斯突出危險煤層中，通過采取相應防突措施后，應用綜放開采技術是安全可行的。因此，國家在制定法規時，在技術限制上不宜嚴禁。
參考文獻：
（1） 煤礦安全規程[S ]。能源部。1992
（2） 煤礦安全規程[S ]。煤炭工業出版社。2001。
（3） 尚海濤，吳健等。高瓦斯及煤與瓦斯突出煤層的綜放開采探討[J ]。煤炭科學技術。2003（12）。
（4） 楊開貴。厚煤層綜放開采礦壓顯現特征研究〔J〕。貴州煤炭。2004（4）。
作者簡介 ： 楊開貴（1966---），男，貴州黔西人，1988年畢業于西安礦業學院，高級工程師，現任水城礦業（集團）有限責任公司汪家寨煤礦總工程師，注冊安全工程師。Tel：0858-8176016。
