塔山煤矿特厚煤层瓦斯立体抽采技术研究

2014-10-22李志伟

山西煤炭 2014年7期

李志伟，王飞

（1.太原理工大学矿业工程学院，太原 030024；2.同煤集团塔山煤矿，山西大同 37001）

塔山煤矿井田内赋存侏罗系和石炭二叠系两套含煤地质构造。侏罗系大同组为上部含煤地质岩层，经多年开采，煤层所剩储量不多。二叠系下统山西组和石炭系上统太原组为下部含煤地质岩层，可采煤层5层（自上而下分别是4号、2号、3号、5号、8号层）。地层总厚86.2～177.20 m，平均157.93 m，共含煤15层，煤层总厚38.25 m，含煤系数24%。塔山煤矿属煤层群开采，主采煤层为3号～5号合并层，首采面投产后，瓦斯问题逐步凸显，严重影响安全生产。随着回采的深入和产量的提高，绝对瓦斯涌出量逐年增加，2008年以来的鉴定批复均为高瓦斯矿井。2011年的鉴定显示：绝对瓦斯涌出量达78.6 m3/min。并有综放工作面瓦斯异常涌出区域，工作面绝对瓦斯涌出量可达40～50 m3/min之间、甚至更高，掘进工作面瓦斯异常涌出区域可达10 m3/min左右。3号～5号合成煤层属自燃煤层，最短发火期60 d。为进一步摸清异常瓦斯涌出局部区域的原始瓦斯含量、瓦斯分布状况、瓦斯涌出规律、瓦斯抽采卸压区域浮煤的自然发火危险性状况，必须对异常瓦斯涌出区域的煤层瓦斯基本参数、瓦斯涌出状况进行测定必须探明并了解煤层的瓦斯来源、瓦斯赋存、瓦斯涌出规律，同时研究瓦斯抽采过程中卸压区域浮煤的防灭火技术，以便制定切实可行的瓦斯防治措施提供依据。

1 瓦斯抽采过程中的防灭火技术

加强瓦斯抽采条件下采空区自燃“三带”及瓦斯“三带”的考察分析。

1）在综放面立体抽采条件下，建立采空区“自燃氧化带”观测系统，通过实测数据回归分析，研究“自燃氧化带”及瓦斯浓度“三带”的分布规律，确定采空区自燃“三带”及瓦斯“三带”，为防止采空区自然发火、提高瓦斯抽采效率提供依据。

2）建立数学模型，数值模拟采空区内漏风流场的速度分布、CH4、O2等浓度分布，为合理确定工作面的通风方式，优化通风参数，确定最佳供风量和最佳回采速度提供参考。

3）通过实测高抽巷、瓦斯尾巷、采空区气样成分分析；根据 O2、N2、CH4以及 CO、C2H4等气体的质量守恒，推导三个地点气体相互流动的关系，确定煤层瓦斯安全抽采条件下的自然发火标志性气体，并确定煤层瓦斯抽采参数的合理范围。

4）目前已经建立瓦斯与煤自燃耦合实验台，见图1，研究不同瓦斯浓度的漏风流对松散煤体自燃氧化规律及其特性影响规律；根据实验结果的理论分析，研究瓦斯抽采时，抑制采空区遗煤氧化自燃的工作面通风参数及瓦斯抽采参数；提出既有利于瓦斯抽采、又能有效预防遗煤自燃的参数和措施。

5）依据综合瓦斯治理和自燃火灾防治的经验，找出两者相同的措施进行实施，对两者互相冲突的影响因子进行优化，达到最佳效果，并结合煤矿现有技术基础条件，提出完善的适合于现场的煤层瓦斯抽采与自燃火灾耦合防治技术体系。

图1 瓦斯与煤自燃耦合实验台

2 塔山煤矿石炭二叠系特厚煤层的瓦斯立体抽采技术

塔山煤矿的最大特点为煤层群开采。按照《瓦斯抽采暂行规定》第七条规定：“采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min的；或者掘进工作面绝对瓦斯涌出量大于3 m3/min的；矿井绝对瓦斯涌出量大于或等于40 m3/min的。”必须进行瓦斯抽采。

结合塔山煤矿的具体实情确定塔山煤矿的瓦斯立体抽采技术体系包括：①本煤层的卸压瓦斯抽采。②采空区埋管抽采上隅角积聚瓦斯。③邻近层卸压瓦斯抽采。

2.1 本煤层的卸压瓦斯抽采——高位水平走向钻孔抽放

利用回采工作面前方卸压区域瓦斯大量解吸释放的特点，在回风巷内每隔50 m并向垂直回风巷开掘一条短斜巷和一段平巷作为钻场（长3 m，宽3.8 m，高3 m），钻场间距40～50 m左右。在各钻场内迎着工作面推进方向打双排扇形钻孔，每个钻场内打6个扇形钻孔，钻孔开孔高度距巷道底板为1.6 m和2.1 m，钻孔开孔点水平间距0.6 m，钻孔终孔间距为5 m，钻孔终孔距回风巷的水平距离8～32 m，距煤层顶板的垂直距离20 m。钻孔长度60～80 m，钻场间保持20 m以上的超前距，钻孔直径94 mm，见图2和图3。抽采本煤层的卸压瓦斯，以减少工作面回采过程中的瓦斯涌出量。

图2 高位水平走向钻孔抽放采空区瓦斯方法平面示意图

图3 高位水平走向钻孔抽放采空区瓦斯方法剖面示意图

2.2 采空区埋管大流量抽放瓦斯系统抽放上隅角积聚瓦斯

随着工作面的推进，采空区冒落空间逐步增大，工作面瓦斯涌出量随之增加，上隅角和支架后运输机道瓦斯浓度增加较快，放煤时瓦斯浓度超过1%。为减轻工作面通风负担，利用大流量抽放瓦斯泵对上隅角瓦斯进行抽放，以减低采空区瓦斯涌出量、防止上隅角和支架后运输机道瓦斯浓度超限。具体方法是：在回风巷内敷设大直径抽放瓦斯管道，在距工作面30 m处改成600 mm钢丝骨架风筒（伸缩风筒），在上隅角切顶线处构筑粉煤灰封堵墙，在墙上方预埋500 mmPE管，再将600 mm钢丝骨架风筒与墙上方预埋500 mmPE管连接，随着工作面的推进，粉煤灰封堵墙和钢丝骨架风筒被埋入采空区内，对采空区瓦斯进行抽放，截断采空区瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯超限。当粉煤灰封堵墙进入采空区10 m深位置时，重新再筑一道粉煤灰封堵墙，重复进行，见图4。

图4 上隅角插管抽放瓦斯示意图

2.3 邻近层卸压瓦斯抽采

随着工作面的推进，受采动影响，引起采空区顶板岩石的冒落，造成顶板缓慢下沉，采场围岩松动，产生卸压作用，形成冒落带、破裂带、弯曲下沉带，见图5。上覆岩层的采动裂隙逐渐发育，导致煤岩体中孔裂隙增加，形成层间空隙；这种层间空隙不仅是卸压瓦斯的储存地点，也是良好的流动通道。为了防止和减少邻近层的卸压瓦斯大量涌向开采层，必须开展邻近层卸压瓦斯抽采。

图5 按瓦斯卸压抽采划分的“三带”

塔山煤矿顶板高抽巷布置在导气裂隙带内，即：距离开采煤层的顶板约30 m处，邻近层和采空区卸压瓦斯可由裂隙直接导入顶板高抽巷，回采工作面前方一定范围内受采动影响形成的破裂带也有利于释放回采面前方煤体中的瓦斯。由于瓦斯密度比空气低，总是向上漂移，在顶板高抽巷巷风流的作用下，上隅角及后溜尾的瓦斯很易流入顶板高抽巷中，见图6。顶板高抽巷沿2号煤顶板布置，与工作面回风巷内错20 m，距煤层顶板30 m（根据实验、现场考察、理论分析确定），这个位置正处在工作面采空区冒落带上部的裂隙带，这既能保证巷道断面维持的较好，又使顶板高抽巷风量大小不受采空区冒落煤和岩石堆积疏密程度限制，还能保证采空区及周边破裂煤体释放的瓦斯较易进入顶板高抽巷，并使抽排风能够通过调整抽放泵抽放量实现控制。