魏家地煤矿在突出煤层中进行综放开采的研究与应用

2016-06-23徐永良兰州煤矿设计研究院甘肃兰州730000

甘肃科技 2016年5期

关键词：立体

徐永良（兰州煤矿设计研究院，甘肃兰州730000）

徐永良
（兰州煤矿设计研究院，甘肃兰州730000）

摘要：针对煤与瓦斯突出矿井中采用综采放顶煤采煤方法的问题，魏家地煤矿通过“立体、分源抽采”的瓦斯治理技术，使得井下煤层中瓦斯能够得到有效治理，很好地解决了煤与瓦斯突出的问题。矿井通过多年试验研究，成功地在突出煤层中进行了综采放顶煤采煤方法的实施，不但保证了矿井生产安全，而且提升了矿井产量，降低了煤炭生产成本，取得了良好的经济效果。

关键词：综采放顶煤；煤与瓦斯突出；立体、分源抽采

煤（岩）与瓦斯突出矿井是煤矿开采中危险性最大、开采条件最复杂的矿井，其为煤层中积聚的瓦斯压力瞬间释放使得大量破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体中突然向采掘空间抛出的异常动力现象，该动力现象造成的破坏性很大，有时还可能产生瓦斯爆炸，那将是灾难性的后果。由于煤与瓦斯突出矿井中采用放顶煤采煤方法放顶时易造成煤与瓦斯突出，因此《煤矿安全规程》（2011版）中规定突出煤层中的突出危险区、突出威胁区，严禁采用放顶煤采煤法。而魏家地煤矿在煤与瓦斯突出煤层中率先成功进行了综采放顶煤采煤方法的探索与实践，使得煤与瓦斯突出矿井在放顶煤采煤方法实践领域有了新的突破［1-3］。

1　矿井概况

魏家地煤矿是甘肃靖远煤电股份有限公司下属的一对大型矿井，原设计生产能力1.50Mt/a，服务年限105年，矿井于1989年12月建成投产，初期生产能力仅0.10Mt/a，以后生产能力逐年提高，2004年实际生产原煤1.54Mt，达到和超过了设计生产能力，2008年核定生产能力为2.00Mt/a，2015年矿井改扩建后生产能力达到了3.00Mt/a。

魏家地煤矿于1989年12月14日由原中国统配煤矿总公司以（89）中煤基字678号文批准为煤与瓦斯突出矿井，矿井一、三煤层定为突出煤层。矿井主采的一、三煤层均为特厚及厚煤层，采煤方法采用综采放顶煤采煤法。矿井自1993年以后，经过采取以瓦斯抽采为主的综合防治措施后，矿井在生产活动过程中均未发生过煤与瓦斯突出现象。

2　瓦斯抽采系统及方法

本矿井实施综采放顶煤采煤方法的关键前提是要解决煤与瓦斯突出问题。

防突的主要措施为对煤体中瓦斯尽最大可能的进行抽采，以达到卸压和减少回采时瓦斯的溢出。魏家地煤矿在投产初期就建有临时瓦斯抽采系统，1994年永久系统建成投运，此后，两次对瓦斯抽采系统进行增能改造，将原SK-30、SK-60型抽采泵改造为SKA-420型抽采泵，额定抽气量达到120m3/ min；2009年再次增配了第二套地面固定瓦斯抽采系统，配备2BEP-67型抽采泵，进一步提高了瓦斯抽采能力。

经过多年的研究探索，矿井形成了地面钻井抽采系统、井下煤层底板岩石中巷穿层钻孔抽采、掘进巷道条带超前预抽、本煤层顺层钻孔先抽后采、顶板专用抽采巷采前预抽和边采边抽、回风巷高位钻场大直径岩石走向钻孔抽采、工作面回风巷高位钻孔和采空区埋管抽采等抽采方法相结合的“立体、分源抽采”模式［2，4］。

2.1地面钻井抽采系统

自2012年开始，魏家地煤矿通过和中国矿业大学等高校合作，在东一采区完成了地面钻井抽采技术的工业性试验，并取得成功。至今已实施4口抽采钻井，抽采效果良好。

2.2井下瓦斯抽采方法

1）穿层抽采。主要利用石门打穿层钻孔进行抽采，在两帮每隔50m施工抽采钻场，钻场错距25m。在每个钻场内沿煤层倾斜方向施工φ200mm大直径穿层钻孔提前预抽煤层瓦斯，每个钻场施工3个钻孔，钻孔呈扇形布置，穿过一煤层顶板0.5m左右；穿层钻孔在工作面掘进前1～2年就可以施工抽采。

2）掘前预抽。在掘进巷道两侧每隔50m交错布置钻场，在每个钻场内沿煤层走向施工φ94mm煤层钻孔9个（可根据实际情况增减钻孔数量），孔深为70～80m，钻孔终孔距巷帮外廓3～5m以上，预抽掘进工作面前方煤层瓦斯。

掘进头前方瓦斯卸压区域范围不小于30m，严禁超前掘进。

3）采煤工作面采前预抽。利用两顺槽已形成的钻场沿煤层倾向施工φ94mm煤层钻孔8个（可根据实际情况增减钻孔数量），钻孔分两排施工，每排4个孔，上排见煤层顶板，下排在煤层中部。孔深为70～80m，预抽采煤工作面煤层瓦斯。工作面两顺槽外侧的钻场沿倾斜方向施工的顺层抽采孔可以对相邻工作面煤体提前预抽。

4）边采边抽。采煤工作面正常回采时，两顺槽钻场内的钻孔继续抽采。

5）上隅角及采空区瓦斯抽采。上隅角和采空区瓦斯抽采主要是利用对回采工作面后方采空区埋管抽采来实现。

6）顶板岩石走向钻孔代替走向高抽巷抽采。在部分煤层厚度比较厚，瓦斯涌出量比较大的区段，可在工作面集中上（下）山中施工顶板钻场，钻场内错回风巷10～15m布置，距1层煤顶板垂直距离5m左右。在钻场内向煤层顶板岩石中施工近水平走向大直径钻孔一组3个，钻孔深度600m，试验以大直径钻孔代替走向高抽巷抽采瓦斯。钻孔施工在距煤层顶板30～50m的裂隙带，随着工作面推进可以抽采采空区裂隙带瓦斯。

3　瓦斯抽采效果

通过大规模的瓦斯抽采，大大降低了煤层瓦斯含量和涌出量，在瓦斯治理方面取得了很好的效果，主要表现在以下3个方面：

1）降低了掘进工作面的瓦斯涌出量。预抽瓦斯之前，一个煤巷普掘工作面，断面为10.4～12.7m2的巷道，工作面瓦斯涌出量曾高达10m3/min，平均百米巷道瓦斯涌出量为5.02m3/min，预抽瓦斯之后，同样断面的煤巷掘进工作面的瓦斯涌出量明显减少，平均百米煤巷的瓦斯涌出量仅为1.78m3/min（见表1）。

表1　抽采前后掘进工作面瓦斯涌出量对比

2）降低了回采工作面的瓦斯涌出量。抽采瓦斯之后的回采工作面的瓦斯涌出量普遍降低，西一采区的102工作面自开采后，随着工作面推进，瓦斯涌出量由4月份的5.5m3/min上升到9月份的10.56m3/min，上隅角瓦斯超限次数多达51次。通过施工钻孔抽采瓦斯之后，工作面瓦斯涌出量及上隅角瓦斯超限次数明显降低，工作面回采期间绝对瓦斯涌出量呈明显下降趋势（见表2）。

表2　102工作面抽放前后瓦斯涌出量比较

3）降低了煤层的突出危险性程度。使用钻孔瓦斯涌出初速度值和钻屑量值预测工作面突出危险性的测定中，未抽采区域的超标次数大大超过已抽采区域的超标次数。根据统计资料，40次预测指标超标的测定70%发生在预抽瓦斯之前（或刚开始预抽瓦斯），1991年矿井开展瓦斯抽采以后，煤巷掘进过程当中预测指标超标的现象大大减少，仅在少数巷道出现过超过突出指标临界值的情况。

通过瓦斯抽采，煤层的瓦斯含量均不同程度的减少。已采区各工作面的瓦斯抽采率从11.7%增加70%以上。

4　综采放顶煤采煤方法实施及开采情况

由于魏家地煤矿主采煤层厚度较厚（1煤层厚度为0.05～46.27m，平均13.08m），采用分层回采成本高，产能低，魏家地煤矿根据1993年以后矿井瓦斯治理及瓦斯抽采的实际情况，于1995年11月在西一采区110工作面进行了综采放顶煤采煤方法试验研究工作，研究结果表明，经过抽采后，煤与瓦斯突出问题得到很好解决，采用综采放顶煤开采过程中工作面瓦斯能够得到有效治理。矿井在此后的各回采工作面均采用了综采放顶煤采煤方法，矿井的生产能力也逐年在攀升。魏家地煤矿经过20多年的安全生产实践经验证明，“立体、分源抽采”瓦斯治理技术能够确保综采放顶煤工作面安全回采，该方法也得到了相关专家的认可。