Ⅲ4423工作面火成岩侵蚀条件下瓦斯灾害动态治理研究

江亮华

摘 要：为研究火成岩侵蚀下高瓦斯矿井瓦斯灾害综合治理，以朱庄煤矿Ⅲ54采区Ⅲ4423工作面为对象，对该瓦斯治理采用动态综合防治技术，在探明工作面内是否因火成岩的分割、穿插和侵入的情况下，对有瓦斯储集地段采用顺层钻孔和高位钻场及采空区埋管抽放方式进行防治，而对瓦斯含量低的地段，则取消顺层钻孔抽放瓦斯和增大钻场抽放的距离，以优化其防治措施。在Ⅲ4423工作面的回采实践中，即保证了安全高效回采，又节约了瓦斯治理成本，对同类矿井的瓦斯治理具有重要借鉴作用。

关键词：火成岩;火成岩侵蚀;高位钻场;动态管理;瓦斯抽放

我国煤矿95%以上为井工开采，其中70%以上的国有煤矿为高瓦斯矿井。起因于我国大陆是由众多小型地块多幕次汇聚而成，主要煤田经受了多期次，多分析、强度大小不一的地质构造运动的构造，致使煤层赋存条件极为复杂，自开采以来，煤矿灾害事故一直未得到有效控制。据煤矿大量事故灾害条件分析看出，瓦斯灾害事故仍然是煤矿的“第一杀手”，如2003-2009年度死亡100人以上的十起事故中，瓦斯灾害就占6起。死亡849人。因此，对瓦斯灾害的严格治理，是煤矿开采中的一项艰巨任务。

1 朱庄煤矿Ⅲ54采区4423工作面基本情况概述

位置及概况：Ⅲ54采区位于朱庄井田的西南部，Ⅲ54采区下部南到杨庄矿与朱庄矿矿界，北以三水平西大巷为界，东到Ⅲ54和Ⅲ52、Ⅲ53采区边界线，西到杨庄矿与朱庄矿矿界。东西长约1800m，南北宽约1100m，面积约1.98km2。采区内3煤层受岩浆侵蚀不可采，4煤层、5煤层局部受岩浆侵蚀不可采，4煤层可采面积约0.56km2，5煤层可采面积约1.41km2。地表为农田及村庄。地面标高+32m左右。

煤层情况：Ⅲ54采区的4煤层和5煤层均属二叠系下石盒子组，4煤层厚度平均1.5m。煤层结构复杂，煤层中含一层夹矸，煤层倾角4°～10°，煤种牌号为贫煤。5煤层厚度平均2.6m，煤层结构较简单，煤层倾角4°～10°，煤种牌号贫煤，煤岩类型半亮型。4煤层至5煤层间距：5～16m，平均10m左右。

地质构造情况：Ⅲ54采区下部从煤层底板等高线走向形态看，为一个小型褶曲，东边采区边界处为一背斜构造（戴庄背斜），背斜轴近乎与边界线平行。中间有一向斜构造，向斜轴位于Ⅲ54采区下部进风进料石门的左翼。因此，左翼工作面掘进会出现巷道起伏;右翼基本为单斜构造，巷道沿煤层倾向施工，为上山掘进，煤层倾角变化不大。断裂构造从下部勘探钻孔揭露的煤层厚度资料，底板标高变化，煤层倾角的变化上分析，预计出现落差H=5.0m以上断层可能性不大;但从采区上部已回采过的工作面地质情况看，中、小断层较发育，对生产造成一定影响，预计下部工作面在掘进和回采过程中也会遇到类似情况。Ⅲ54采区下部的4煤和5煤均有岩浆侵蚀，其中4煤侵蚀较严重，左翼大部分和右翼下部都不可采。可采范围约占下部采区面积的3/10;5煤左翼受岩浆侵蚀面积较小，约0.12km2，但不可采。右翼侵蚀面积较大，约 0.45km2，侵蚀区内煤厚1.7～2.5m，在可采范围内。从下部Ⅲ4423机联上山和Ⅲ54下部回风联络上山见5煤层（中间有一层岩浆岩，厚度0.3～0.5m）情况分析，预计右翼岩浆侵蚀区内的5煤层中有一层或二层岩浆岩。

顶底板情况：Ⅲ54采区的4煤层直接顶板为灰～深灰色泥岩，块状、含植物叶片化石，厚1.0～3.0m;往上为灰色砂质泥岩，厚3.0～5.0m;再往上依次为灰白色细砂岩，厚3.0～8.0m，灰黑色粉砂岩，厚1.0～6.0m;3煤层，变质为天然焦，厚0.15～1.3m，其上为岩浆岩，厚8～12m。Ⅲ54采区4煤的直接底板为灰黑色泥岩或砂质泥岩，含植物根茎化石，厚1.5～4.0m;往下为灰白色中、细粒砂岩，厚2.5～8.0m;再往下依次为灰黑色砂质泥岩1.0～4.0m;五煤層，厚2.0～3.6m;灰～灰黑色砂质泥岩，厚2.0～4.0m，底部有0.1m厚煤线;灰白色细砂岩，厚3.0～6.0m，底部有0.2～0.4m厚煤线;灰色砂质泥岩，厚10m左右;灰白色铝质泥岩，厚3.0～5.0m。

2 朱庄煤矿54采区Ⅲ4423工作面瓦斯灾害动态治理

根据火成岩侵蚀对煤层改造和瓦斯储集规律的研究可以看出，在煤层有火成岩侵蚀时将对瓦斯的储集形成两种结果，如果改造后的煤层裂缝与围岩裂隙沟通时，则瓦斯将通过围岩裂隙逸散至围岩中或地表，形成低瓦斯区域;如果没有与围岩裂隙沟通，或围岩亦由致密岩层组成时，则在火成岩切割的局部区域形成高瓦斯区域。因此，从优化瓦斯治理目标出发，针对本矿34423工作面的瓦斯治理采用动态综合治理措施。

2.1 工作面较低瓦斯储集区域的治理措施

因火成岩的侵蚀，使工作面煤层的局部区域瓦斯因煤层裂隙与围岩裂隙通道沟通而使瓦斯积聚较少，为此，Ⅲ4423工作面瓦斯的治理，则以风排瓦斯为基础，考虑在4煤采动时，邻近煤层3煤和5煤瓦斯的涌入，故采用高位钻场和采空区埋管抽放瓦斯的治理措施，如图1所示。利用高位钻孔抽放Ⅲ4423工作面采空区裂隙带内的瓦斯，既可抽放3煤煤层内的瓦斯，又可抽放积聚在4煤采空区顶板裂隙带的大量瓦斯，确保4煤采空区上隅角的瓦斯浓度不超限。在Ⅲ4423工作面每距70～80m左右，沿4煤的顶板作钻场，钻场尺寸为长（5.8m）×宽（4m）×高（1.8～2.2m），具体见图1所示。钻场内布置6个钻孔，布置形式主要为“三高三低”，钻孔压茬距离为30m，三高钻孔用于抽放3煤的卸压瓦斯，三低钻孔用于抽放本煤层4煤采空区遗留瓦斯及过钻场时提前解决上隅角的瓦斯，钻孔孔径为108mm。

因4煤与5煤间距较近，为了防止开采4煤时，5煤的瓦斯大量涌入采煤工作面，同时为了人为诱导5煤瓦斯沿下行钻孔的孔道和采空区垮落后产生集中应力产生新裂隙而涌入采空区，保证5煤的安全开采，沿Ⅲ4423工作面风巷每隔20m作下行孔钻场，钻场和钻孔的施工参数如图2所示。

2.2 工作面高瓦斯儲集区域的治理措施

在Ⅲ4423工作面局部区域，由于火成岩的侵蚀、穿插和分割作用，使4煤煤层在开采实际中出现多个瓦斯几个局部瓦斯储集区域，源于煤层瓦斯在围岩致密的条件下，无法通过裂隙系统向周围逸散，如顶板为巨厚火成岩时，就会在煤层及顶板岩层内大量储集，形成高瓦斯储集区域，则仅靠高位钻场的斜交钻孔尚难保证综采工作面瓦斯浓度不超限，因此，在遇到此种情况下，则在较低瓦斯储集区域的基础上，局部采用顺层钻孔对该区域进行瓦斯预抽。钻距为5m，钻孔布置如图3所示。

图3  朱庄煤矿Ⅲ4423工作面顺层钻孔布置示意图

3 Ⅲ54采区Ⅲ4423工作面瓦斯灾害动态优化治理结果分析

为了考察Ⅲ4423工作面瓦斯实施动态综合治理的效果，选取Ⅲ4423工作面回采期间回风流瓦斯浓度较大的时间段进行分析。2011年1月1日至4月29日的Ⅲ4423工作面回风巷瓦斯浓度监测原始记录进行统计可以发现，在近4个月的时间内，Ⅲ4423工作面回风巷瓦斯浓度均在0.7%以下，满足煤矿安全规程要求，为煤矿生产提供了有利的安全保障。同时，根据传统的防治措施和瓦斯基础参数确定，需高位钻场和低位钻场各14个，顺层钻孔102个，高位钻场内钻孔84个，低位钻场钻孔52个，而通过治理方案优化后，实际施工高位钻场8个（还有两个待施工），低位钻场2个，顺层钻孔20个，则节约高位钻场数4个，节约高位钻场钻孔工程量=4钻场×6钻孔/钻场×110m=2640m;节约低位钻场12个，低位钻孔工程量=12钻场×3钻孔/钻场×45m=1620m;节约顺层钻孔工程量=82个×50m/个=4100m。按钻孔100元/m和钻场4000元/m，计算节约瓦斯治理成本如表1所示。

表1  朱庄煤矿Ⅲ4423工作面瓦斯治理动态优化后

节约成本计算一览表

[工程名称＼&单位＼&节约量＼&单价（万元）＼&节约成本（万元）＼&高位钻场

低位钻场

高位钻孔工程量

低位钻孔工程量

顺层钻孔工程量

合计＼&个

个

m

m

m

＼&4

12

2640

1620

4100

＼&3.6

0.8

0.01

0.01

0.01

＼&21.6

9.6

26.4

16.2

41.0

114.8＼&]

4 结论

由于各煤层赋存条件的复杂性，给瓦斯灾害治理带来艰巨性和综合性，在火成岩侵蚀条件下，煤层物性和瓦斯储集运移特性将有所改变。通过对朱庄煤矿Ⅲ54采区Ⅲ4423工作面的瓦斯治理实践表明，对本工作面内分区域实施不同的优化防治措施，不仅保证了回采时回风巷瓦斯浓度不超标，满足煤矿安全规程要求，而且与传统的防治方案比较，可节约大量的瓦斯治理成本，通过计算可得，Ⅲ4423工作面瓦斯治理成本可节约114.8万元。因此，对瓦斯灾害的局部治理采用优化的综合治理措施，值得在其它矿井类推广应用。

参考文献：

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