多重保护层开采高瓦斯综采面瓦斯涌出规律研究

2010-01-16黄旭超张朝举杨春林

采矿与岩层控制工程学报 2010年1期

关键词：煤壁保护层采空区

林青,黄旭超,张朝举,杨春林

(1.皖北煤电集团祁东煤矿,安徽宿州 234000;2.煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)

多重保护层开采高瓦斯综采面瓦斯涌出规律研究

林青1,黄旭超2,张朝举1,杨春林1

(1.皖北煤电集团祁东煤矿,安徽宿州 234000;2.煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037)

通过对祁东煤矿多重保护层开采,保护层 7122综采面回采期间的瓦斯涌出预测,瓦斯治理措施的阐述以及 7122采煤工作面的瓦斯浓度分布的考察,分析总结了保护层 7122综采面的瓦斯涌出规律,为类似条件下保护层开采瓦斯治理及管理水平进一步提高提供了基础。

保护层开采;综采面;瓦斯涌出

M ethane Gushing Rules of Full-mechan ized M in ing Face with High M ethane-content in M ulti Protecting Stratum M in ing

祁东煤矿二采区 71煤层平均厚 1.75m,下面22m,33m,46m左右是平均厚度分别为 1.7m,2.2m,5.2m的 81,82,9煤层,其中 9煤层为严重突出危险煤层。矿井煤层群具备开采上保护层条件,并将上赋 71煤层作为保护层开采。在保护层工作面开采过程中研究其瓦斯涌出规律,能为进一步优化保护层工作面瓦斯治理措施提供依据。

1 试验工作面概况

保护层 7122工作面位于井田西翼一水平二采区,东 (工作面切眼)靠近 F25断层,南 (工作面风巷)接近 -460m,西至二采区运输上山,靠近 F1支断层,北靠近 7123工作面。工作面起止标高 -460～ -500m,平均倾向宽 164m,走向长1090m。

根据 7123工作面及 7123抽采巷实际揭露情况和周边钻孔资料表明,71煤层厚度较稳定,局部煤层变薄,厚度为 0.8～2.63m,平均煤厚 1.75m;煤层结构较简单,局部含有夹矸,夹矸厚度为 0～0.37m,平均 0.2m,夹矸为灰色泥岩。煤层倾角 8～14°,平均 13°,倾向近北,近单斜构造,局部有所起伏。试验区域 71煤层瓦斯压力、含量分别为 2.6～2.8MPa,10.9～12.2m3/t,具有煤尘爆炸危险性和三类不易自然发火倾向。

2 采煤工作面瓦斯涌出预测

对于回采工作面涌出的瓦斯,一般情况下,开采层涌出的瓦斯全部进入回采工作面,邻近层涌出的瓦斯部分进入采煤工作面。邻近层涌出的瓦斯进入开采层的比例受多种因素影响,但主要取决于工作面通风系统。因此,回采工作面瓦斯涌出量由开采层瓦斯涌出量和进入工作面的邻近层瓦斯涌出量所组成。7122工作面开采层及邻近层瓦斯涌出量及其构成见表 1。

表1 7122工作面开采层及邻近层瓦斯涌出量及其构成

综上所述,7122采煤工作面回采过程中,本煤层平均瓦斯涌出量为 8.6m3/min,邻近层平均瓦斯涌出量为 6m3/min。邻近层瓦斯涌出量占回采工作面总瓦斯涌出量的 41%,开采层瓦斯涌出量占回采工作面总瓦斯涌出量的 59%。

3 采煤工作面瓦斯治理措施

根据 7122采煤工作面瓦斯涌出预测分析,针对瓦斯涌出源采用风排瓦斯并结合瓦斯抽采方法进行瓦斯治理,并按规定对采煤工作面风流瓦斯、电气设备等进行监测监控。

3.1 采煤工作面通风方式

7122工作面采用 U型通风,并在 7122工作面风巷上方 30m掘一瓦斯专用抽采巷,回采工作面配风量 1350m3/min,瓦斯专用抽采巷配风量300m3/min。

3.2 保护层工作面瓦斯综合抽采

为预防保护层 7122综采面瓦斯超限,采用采空区埋管抽采、瓦斯专用抽采巷高位钻孔抽采等综合抽放 7122综采面采空区瓦斯 (包括上下邻近层卸压涌入的瓦斯),参见图 1。

图1 保护层工作面及采空区瓦斯治理

为确保在瓦斯专用抽采巷施工高位钻孔的安全,在瓦斯专用抽采巷内超前 7122综采面 30m左右分段密闭瓦斯专用巷,预抽上区段 71煤层瓦斯。

3.3 下伏远距离被保护 9煤层卸压瓦斯抽采

在 7122综采面开采过程中为减少或抑制下伏邻近层 81,82,9煤层卸压瓦斯对回采的影响,同时强化 9煤层被保护效果,并为 82煤层开采瓦斯治理创造条件,设计利用 9煤底板穿层钻孔抽采 9煤层卸压瓦斯。将被保护层抽采钻孔设计为 26m×26m网格式钻孔,即在 9煤层的保护范围内,沿 92采区集中回风巷和 92采区底抽巷每 26m布置一个钻场。保护层 7122综采面开采过程下伏被保护瓦斯抽放设计见图 2。

图2 下邻近层 9煤层底板穿层抽采钻孔布置

7122综采面基本顶初次跨落前的瓦斯为本煤层瓦斯涌出,其回风巷排放瓦斯为 6.0m3/min左右,7122工作面瓦斯专用抽采巷排放瓦斯 2.4m3/min,则 7122回采工作面瓦斯涌出总量为 8.4m3/min。回采工作面实际瓦斯涌出量小于预计瓦斯涌出量,其原因为回采初期工作面处于试采阶段,回采速度较慢。

7122综采面初次来压后,7122抽放巷高位抽采钻孔开始起作用,在此期间抽放巷高位钻孔抽采瓦斯量 2.3m3/min,瓦斯专用抽采巷抽采瓦斯量3.6m3/min,风巷风排放瓦斯量 8.7m3/min,7122综采面瓦斯涌出总量 14.6m3/min左右。7122综采面推进 160m左右时,煤系地层赋存及煤厚发生变化,瓦斯涌出量稳定在 12 m3/min左右。

上述表明：保护层 7122综采面采用瓦斯综合治理措施后,取得了良好的效果。

4 工作面回采过程中瓦斯分布规律

4.1 工作面倾斜方向瓦斯浓度分布规律

在 7122回采面沿倾斜方向每隔 20m布置测点,考察风流瓦斯浓度分布情况。根据现场实测数据分析,采煤工作面沿倾斜方向瓦斯浓度分布如图 3。

图3 沿采煤工作面倾斜方向瓦斯浓度分布

测定资料表明：工作面瓦斯浓度从进风侧到回风侧逐渐增大。进风到回采工作面中部范围内瓦斯浓度变化不大,回采工作面中部到回风上隅角瓦斯浓度增大较快,尤其是靠近回风侧 30m范围内的瓦斯浓度较高。

4.2 工作面走向瓦斯浓度分布规律

根据对 7122综采面的测定瓦斯浓度资料进行整理,得到采煤工作面内回风侧、中部、进风侧垂直煤壁方向的瓦斯浓度分布,见图 4所示。

图4 采煤工作面瓦斯浓度沿垂直煤壁方向分布

保护层采煤工作面下半部靠近进风侧瓦斯浓度分布如图 4中曲线 3所示,从煤壁到工作面中部再到采空区,瓦斯浓度一直下降,瓦斯浓度由煤壁向采空区迅速减少;从中部到采空区,瓦斯浓度曲线下降趋势比较平缓,瓦斯浓度下降剃度减少,采空区瓦斯基本没有进入采煤工作面内。

保护层采煤工作面中部瓦斯浓度分布如图 4中曲线 2所示,从煤壁到中部再到采空区,曲线呈先下降后上升的趋势,瓦斯浓度开始下降明显,后上升比较平缓。采煤工作面瓦斯除煤壁和顶底板涌出瓦斯外,风流开始将采空区瓦斯带入采煤工作面。

保护层采煤工作面上半部靠近回风侧部分瓦斯浓度分布如图 4中曲线 1所示,曲线明显呈现出先下降后上升的趋势,瓦斯浓度由煤壁至采空区由大到小再到大,采煤工作面瓦斯存在煤壁、顶底板、采空区瓦斯涌出源,漏风方向由采空区漏入工作面,同时带入大量瓦斯。

另外,可以看出上隅角附近 20m范围是采煤工作面瓦斯浓度较高的区域,也是采空区瓦斯涌出到回采工作面的主要通道,因此,防止上隅角瓦斯超限是回采工作面瓦斯治理的重点。

4.3 工作面回采过程瓦斯涌出量

根据 7122保护层工作面回采期间的瓦斯涌出量统计分析,回采工作面瓦斯涌出量与工作面推进距离关系见图 5所示。

图5 回采工作面瓦斯涌出量与工作面推进距离关系

由回采工作面瓦斯涌出量与工作面推进距离关系图分析：7122工作面回采过程中,采煤工作面前 40m瓦斯涌出量基本为 7122综采面本煤层瓦斯涌出量;随着采煤工作面的推进,顶板垮落,裂缝带向上、下方向发育,邻近层卸压瓦斯开始涌向回采工作面。由于 7122保护层工作面回采前外移了35m,造成下伏 9煤有 70m的范围 (包括煤柱应力集中影响区)未布置底板穿层抽采钻孔,使得7122工作面下伏邻近层 81,82,9煤卸压瓦斯涌向7122综采面,造成工作面 40～100m段回采过程中瓦斯涌出量增大;7122综采面推进 100m后,9煤底板穿层钻孔逐渐开始起作用,减少或抑制了 82,9煤卸压瓦斯涌向上覆采空区,7122综采面瓦斯涌出量也逐渐稳定在 12m3/min左右。