晋华宫矿极近距离煤层开采瓦斯防治技术研究

孟志斌

（大同煤矿集团公司晋华宫矿，山西省大同市，037016）

晋华宫矿极近距离煤层开采瓦斯防治技术研究

孟志斌

（大同煤矿集团公司晋华宫矿，山西省大同市，037016）

针对大同煤矿集团公司晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃煤层、12－2＃煤层等极近距离且上覆高浓度瓦斯采空区严重影响综采煤层安全生产的难题，运用瓦斯防治技术与理论分析、现场试验和系统优化等方法，分析得出了极近距离上下煤层同时生产时极易发生因采动压力场垂直方向冒落带、裂隙带、弯曲下沉带以及水平方向煤壁影响支撑区、离层区和重新压实区等切割产生大量裂隙连通采空区泄出瓦斯等特点，提出了瓦斯治理思路和“下挤上拉、上下协同”原则、方法以及一系列相应瓦斯防治措施与对策。实践表明，在8114－1和8114－2工作面采取上述措施后，上隅角瓦斯浓度由治理前的3%～5%降到0.4%～0.5%，有效解决了晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃煤层和12－2＃煤层极近距离煤层工作面开采过程中瓦斯浓度超限问题。

瓦斯防治 极近距离煤层 晋华宫矿

1 引言

大同煤矿集团公司晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃煤层和12－2＃煤层为极近距离煤层，每一煤层厚平均为1.8～2m，层间距仅2.5～4m。按实际生产需要，上下两煤层需同时开采，如此可能会因瓦斯大量涌出致使瓦斯浓度急剧增大而无法安全生产，特别是对上层即12－1＃煤层8114－1工作面和其下12－2＃煤层8114－2工作面影响最为严重。由于8114－1工作面呈内错布置于8114－2工作面上部，开采时前后错距只有200～250m，上层8114－1工作面向前推进后，工作面上隅角瓦斯浓度呈先增大而后随大气温度降低而降低的趋势，其上隅角瓦斯浓度有时会异常增大。当下层8114－2工作面推采进入上层8114－1工作面采空区顶板首次垮落后，上隅角瓦斯浓度迅速增加，此时工作面因瓦斯浓度严重超标而被迫停产。因此，相邻特别是极近距离煤层同时开采时，必须对其瓦斯特点与规律及其瓦斯事故预防与治理措施进行研究，以期最大限度地降低上下煤层之间瓦斯互相干扰和对煤层正常开采的影响，从而确保能在如此复杂条件下能够安全和顺利生产。

2 极近距离煤层瓦斯来源与涌出规律分析

根据目前瓦斯涌出规律分析理论，结合晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃煤层和12－2＃煤层开采的具体情况，对上下层的8114工作面瓦斯来源及其特点进行分析。

图1 极近距离煤层空间展布及综合柱状图关系

2.1 12－1＃煤层与12－2＃煤层极近距离煤层空间展布关系分析

12－1＃煤层与12－2＃煤层极近距离煤层及其同上下相邻地层的空间展布关系如图1所示。12－1＃煤层上部为邻近采空区的10＃煤层，下部为厚度1.5m的细砂岩、厚度1.0m的粗砂岩和厚度0.5 m的粉砂岩，之后为12－2＃煤层，之后间隔一层厚度10.2m的粉细砂岩为14－2＃煤层。由此可以看出，12－1＃与12－2＃煤层相隔距离仅有3.0m，如果同期开采，则对瓦斯防治技术要求非常高，尤其是如何防止12－1＃煤层上部采空区积聚的大量瓦斯影响综采工作将是一大难题。

2.2 极近距离煤层瓦斯来源分析

根据地下工程理论并充分结合长期观测和已有经验与实践可知，当开采煤层随工作面推进时，会在工作面周围形成一个采动压力场，见图2。其影响范围分别在垂直方向上形成3个带并在水平方向上形成3个区。其中3个带为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；3个区为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。由此会在采动压力场中产生大量裂隙空间，从而连通成为瓦斯流动通道。根据开采技术及实际经验，冒落带高度一般为采高的4～8倍。由此可知，晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃层和12－2＃煤层开采时，其瓦斯连通通道具有由下而上多层的立体关系。首先，当开采12－2＃煤层的工作面时裂隙空间将会与层间距只有2.5～4m的12－1＃煤层塌通；其次，开采12－1＃煤层时，会与积聚了大量瓦斯且层间距平均仅为23m的上覆10＃煤层301盘区采空区连通；最后，按地表裂缝调查分析，10＃煤层301盘区采空区与地表裂缝可能存在连通关系。

图2 采动压力场结构关系

综上所述，当开采12－1＃煤层和12－2＃煤层时，因层距较为短小，其主要瓦斯来源有以下3个方面：一是正常生产中涌出的瓦斯；二是同时开采形成大量裂隙并形成众多瓦斯通道；三是连通高浓度瓦斯的采空区。上述方面均会引起瓦斯浓度急剧增加，成为重大安全隐患甚至必须停产。

2.3 极近距离煤层瓦斯涌出特点与规律

对于瓦斯的考察，在此主要以最容易积聚瓦斯的工作面上隅角进行分析。因地面与采空区存在连通关系，瓦斯变化趋势与温度变化相关，图3和图4为瓦斯与全天气温变化关联规律。

由图3和图4可知，其温度与瓦斯浓度变化关联规律为：

（1）温度变化规律。大约7∶00以后温度开始升高，15∶00左右到达最高温度，随后下降；最低温度为12℃，最高温度为18℃，温差约为6℃。

（2）瓦斯压力与浓度变化规律。随地面温度开始升高，瓦斯气体温度升高使气体体积膨胀，导致瓦斯压力增大；16点以后，压力降低表现为涌出量减少。12－1＃煤层8114－1工作面瓦斯浓度先增大后减小且期间工作面上隅角瓦斯浓度可异常增大3～4%，当下层即12－2＃煤层8114－2工作面进入上层8114－1工作面采空区，经顶板首次垮落后，上隅角瓦斯浓度迅速增加了8%。

（3）滞后效应。在整个量测结果中，有两个较为明显的滞后效应。首先，在9∶00以前，温度逐渐升高而瓦斯压力与浓度基本不变；其次，地面温度一般在15∶00到达最高，但瓦斯浓度与压力却在16∶00升达最大值，故瓦斯压力与浓度相对于天气温度变化约滞后1～2h。

3 极近距离煤层瓦斯防治措施与对策

3.1 瓦斯防治思路与原则

对于极近距离煤层，瓦斯防治目标主要是防止邻近煤层开采瓦斯涌入本煤层而造成多煤层瓦斯相互干扰而影响生产。

为此，提出“下挤上拉、上下协同”的方法对12＃煤层开采时外部瓦斯流入加以防治和控制。具体来说，“下挤”是指在确保10＃煤层的下层即12－1＃煤层8114－1工作面正常通风的前提下合理减小风量和适当降低风压或增加风阻，形成下层风流对上覆10＃煤层采空区瓦斯挤压作用，从而减小其向本层的流动能力，以抑制采空区瓦斯向12－1＃煤层8114－1工作面方向泄出。“上拉”是指在上覆10＃煤层采空区加强抽排风，确保煤层瓦斯能够比较顺利排出，以缓解瓦斯分压对12－1＃煤层的渗泄作用。“上下协同”是指“上拉”与“下挤”同时进行，以期达到抑制上覆10＃煤层采空区瓦斯向12－1＃煤层8114－1工作面的泄出。

3.2 “下挤上拉”试验及其结果分析

依据“下挤上拉、上下协同”的方法，从理论上看基本可行，为使“下挤上拉”过程中达到下层通风量足够的同时实现“下挤”，进行了若干现场试验，以期合理确定各煤层生产通风参数。

按前述方法，于2006年10月17日13∶00～16∶00进行了现场试验，分别对12＃煤层正常通风和减弱通风进行试验，以此得出不同通风条件下上覆采空区高浓度瓦斯向下层泄出的能力和流量大小，从而确定此煤层最为合理的通风参数。首先，当8114－1工作面正常风量为1287m3／min时，上隅角瓦斯浓度为4.5%，流入回风巷后浓度为1.46%。此时，10＃煤层采空区密闭墙内外压差为539Pa，为考察采空区瓦斯向下层的泄出能力，16∶08打开采空区泄压管道，其管道中的出风量达到38m3／min，且CH4浓度高达10%以上。然后，16∶19在12＃煤层8114－1工作面采取减风增阻措施，风量由1287m3／min降至770m3／min，CH4下泄浓度迅速下降至0.12%～0.2%，进入12＃煤层的瓦斯大幅度减少。

3.3 瓦斯治理对策及优化

3.3.1 确定合理通风风量

首先，调整开采煤层工作面风量至合适值。依据现场调配组合试验可得，当12＃煤层8114－1工作面风量为550～600m3／min、8114－2工作面风量为850～900m3／min时，通风最为合理，既能满足本煤层开采的需要，又能防止极近距离其他煤层特别是附近采空区高浓度瓦斯流入。

3.3.2 调整通风压力

根据所有相邻工作面不同情况，采取盘区总回风增压、工作面增压以及上覆采空区卸压调整措施，确保工作面压力保持在一个合理水平，并随工作面的推进及时进行压力调整。

3.3.3 确定合理风障和抽排风机

由于上隅角瓦斯浓度一般较大，故须尽量保证此处的通风量以最大限度降低瓦斯浓度。为此，可革新工作面上隅角处风障吊挂方法。具体为采用可伸缩风帐悬挂装置，并在工作面机道同时设置3道风帐，以有效解决上隅角处风流不易到达的问题。同时，使用大功率对旋抽出式风机配合高强度抽出式风筒，并将风筒直接接入盘区回风巷，将上隅角瓦斯直接排入盘区回风巷，既能消除工作面上隅角瓦斯浓度超限情况，又可确保回风巷瓦斯不超限，同时避免将高浓度瓦斯直接排入回风巷而引发瓦斯事故。

3.3.4 封填地表裂缝

如果地表裂缝与煤层综采工作面巷道连通，则会因裂隙漏风影响通风效能，同时减小“上拉”效果，从而减弱抑制采空区瓦斯的向下流动，故应对地表区域存在的裂缝进行充填和覆土处理。

3.3.5 充分发挥抽放系统作用

根据8114－1和8114－2工作面重叠布置的实际情况，设瓦斯抽放系统，即在与8114－2工作面邻近的8116－6工作面向上层8114－1工作面采空区打钻，以抽取上覆8114－1工作面采空区瓦斯。

4 效果分析

通过采取上述一系列措施后，使得上述两工作面上隅角瓦斯浓度由治理前的3%～5%降到0.4%～0.5%，有效地解决晋华宫矿大井河南301盘区12－1＃煤层和12－2＃煤层极近距离煤层工作面开采过程中瓦斯浓度超限问题，在整个生产工程中累计抽出瓦斯98万m3，安全开采煤炭100万t，创产值3000万元，取得了巨大的安全和经济效益。

5 结论

（1）从研究和分析结果可知，瓦斯压力与浓度变化趋势与温度变化趋势大致相同，随地面温度升高而升高，随地面温度降低而降低。当在极近距离煤层进行开采时，工作面上隅角瓦斯浓度可异常增大3%～4%，瓦斯压力与浓度相对于天气温度变化滞后1～2h。

（2）结合现场实际提出的“下挤上拉、上下协同”的方法以及一系列瓦斯防治措施可以将复杂条件下瓦斯浓度降至安全范围，能够满足极近距离多煤层同时生产的安全需要。

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The technique of gas control in mining of extremely short－distance coal seams in Jinhuagong Coal Mine

Meng Zhibin

（Jinhuagong Coal Mine，Datong Coal Mine Group Company，Datong，Shanxi 037016，China）

Aiming at the problems that there are No.12－1，12－2and other extremely shortdistance coal seams in No.301panel in southern riverbed of great well of Jinhuagong Coal Mine of Datong Coal Mine Group Company and they are overlain by the gob areas with high－concentration gas which will greatly affect the integrated coal mining safety，by using gas control techniques，theoretical analysis，field testing，system optimizing and other methods，the paper has grasped the features that in the working process of upper and lower extremely short－distance coal seams，due to the pressure fields there always bring caving zones，fractured zones，curved sinking zones in vertical direction and coal wall impacting support areas，separation areas and re－compacted areas in horizontal direction and these cuttings produce any amount of fissures connecting to the gob as will cause gas leakage.For the above conditions，the paper proposes the idea for gas control and principle of"squeezing the lower and pulling the upper in sync"and a range of appropriate gas control measures.The result shows that after taking such measures in No.8114－1and 8114－2working faces，gas concentration in the upper corner decreases from 3%～5%to 0.4%～0.5%，and it has effectively solved the problem of gas overrun in No.12－1，12－2and other extremely short－distance coal seams in No.301panel in southern riverbed of great well of Jinhuagong Coal Mine of Datong Coal Mine Group Company.

gas control，extremely short－distance coal seam，Jinhuagong coal mine

TD712.2

A

孟志斌（1973－），男，太原理工大学在读工程硕士，注册安全工程师，现任大同煤矿集团公司晋华宫矿通风副总工程师，研究方向为矿井瓦斯防治和通风管理。

（责任编辑 梁子荣）