福达煤矿开采中期瓦斯综合防治技术探讨

2018-06-12杨晋华

山西煤炭 2018年3期

杨晋华

(晋城市煤矿安全生产管理中心，山西晋城 048000)

瓦斯是影响当前煤矿安全生产的关键因素之一。由于矿井瓦斯突出和瓦斯爆炸，每年造成数十亿计的直接经济损失，对井下工作人员的生命安全造成严重威胁，并且随着开采深度和产量的逐渐增大，瓦斯对于矿井生产的影响程度越来越大[1]。对生产矿井进行瓦斯涌出量预测，确定矿井开采瓦斯涌出等级，是进行矿井设计和选定瓦斯防治措施的依据[2]。因此，准确地预测瓦斯涌出量并选择恰当的瓦斯防治措施，对于指导矿井安全生产、减低开采成本和提高开采效率具有重要的指导意义[3-5]。

1　矿井概况

山西三元福达煤业为重组整合矿井，批准开采8#—15#煤层，行政区划属山西省武乡县墨镫乡管辖。井田位于沁水煤田中东部沁水复向斜东翼、晋获褶断带南部西侧，总体为一走向NE、倾向NW的单斜构造，地层倾角平缓，一般4°～12°，井田内共发现5条正断层，其中落差为7 m的1条，其余正断层落差介于1 m～2 m之间，发现陷落柱11个，井田地质构造尚属简单。井田内的可采煤层为8#、9#和15#，煤层间距较近，赋存区大部可采，煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，底板多为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩，局部为中细粒砂岩[6]。平均总厚7.31 m，可采系数4.07%，煤岩组分以亮煤为主，主要为炼焦用煤。

2　瓦斯涌出量预测

对生产工作面进行瓦斯涌出量预测，对于整个矿井的通风设计、安全管理和瓦斯预防具有重要的参考作用。采用分源预测的方法进行本次瓦斯涌出量预测[7]。

2.1　预测条件

1)在矿井开采中期拟进行9#和15#煤层联合开采，采掘比为2：4，9#工作面回采率取95%，15#工作面回采率取90%，工作面长度150 m。顺槽掘进速度为每月350 m。

2)矿井设计生产能力为120万t/a，9#煤层平均厚度1.36 m，15#煤层平均厚度4.67 m。9#煤层回采工作面日产量为1 008 t，采区日产量为1 060 t；15#煤层一采区跟9#煤层配采时,回采工作面日产量为2 447 t，采区日产量为2 575 t；15#煤层二采区单独开采时回采工作面日产量为3 454 t，采区日产量为3 636 t。

3)设计年工作日330 d。

2.2　瓦斯含量测定

本次瓦斯含量的测定采用钻孔煤屑解析法，由于现场采样条件的限制，在本次测定中仅能选取一个有效测点，为了弥补9#、15#煤层瓦斯控制点数量不足，收集了满足可靠性评价原则的地勘时期的瓦斯钻孔含量，其结果汇总如表1所示。

表1　9#和15#煤层瓦斯含量汇总表Table 1　Gas content of No.9 and No.15 coal seams

注：测点1位于原墨镫乡矿带式输送机大巷出口100 m处，测点2位于原墨镫乡矿皮带运输大巷出口100 m处

根据表1，进行线性回归分析，得到9#和15#煤层分布规律，如图1所示。

由图1可知煤层瓦斯含量W与埋藏深度H的关系式为：

9#煤层，W=0.015H+1.520 2,R2=0.990 3;

15#煤层，W=0.012 1H+0.260 7,R2=0.973 7.式中：W为煤层瓦斯含量，m3/t；H为煤层埋藏深度，m。

由此可以得到9#煤层瓦斯含量增长梯度为1.5 m3/t/100 m；15#煤层瓦斯含量增长梯度为1.22 m3/t/100 m。

图1　瓦斯含量与埋深关系图Fig.1　Relation between gas content and buried depth

2.3　瓦斯涌出量

对回采工作面瓦斯来源进行分析，得到矿井生产中期瓦斯涌出量预测结果如表2所示。

表2　矿井生产中期瓦斯涌出量预测结果Table 2　Prediction of gas emission in the mid-term production in mines

矿井瓦斯涌出量可按下式计算[8]。

式中：q为矿井相对瓦斯涌出量，m3/t；qqi为第i个生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；Aoi为第i个生产采区平均日产量，t；K″为已采采空区瓦斯涌出系数。

由表2预测结果表明，在三元福达煤业开采中期9#、15#煤层以120万t/a产量联合开采时，矿井最大绝对瓦斯涌出量48.51 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为19.21 m3/t，为高瓦斯矿井，瓦斯涌出主要来源于开采层和邻近层，采空区次之。

3　瓦斯综合防治

随着煤层埋藏深度的增大，瓦斯含量也随之增大。为了减少瓦斯对生产的影响，必须对矿井的高瓦斯进行治理，以达到防治的目的[9]。由于9#、15#煤层都属于可抽采煤层，且开采初期进行8#和15#煤层的联合开采，15#煤层已形成一套完整的瓦斯防治系统，所以本文主要针对9#煤层进行瓦斯抽采设计和综合防治。

3.1　本煤层瓦斯抽采

根据已采8#煤层瓦斯抽放经验，可以在9#煤层首采工作面采用打顺层交叉斜钻孔进行本煤层的瓦斯预抽，9#煤层采区工作面设计长为200 m，顺槽长度为1 000 m，因此可以设计抽采钻孔长度为110 m，孔径为94 mm，因为钻孔靠近煤层中部，即距9#煤底板0.7 m～0.8 m，由于9#煤层的透气性系数并不高，故采取密集钻孔。根据开采初期的抽采经验，可以选定钻孔间距为2 m，并通过对实际钻孔有效抽采半径的考察来调整钻孔间距。其钻孔倾角根据实际生产工作面的倾角来确定，瓦斯预抽时间不少于180 d，封孔深度应大于钻孔孔口所在位置的裂隙带深度，不少于7 m。9#煤层与采空区瓦斯抽放图见图2。

3.2　邻近层分层抽采

9#煤开采后，由于采场围岩应力的扰动，产生大量裂隙和瓦斯通道，使得邻近煤岩层中产生大量的卸压瓦斯并涌入采区，从而造成开采层瓦斯浓度的升高。在9#煤层各邻近层瓦斯涌出量计算中，上覆的7#和8#煤层的瓦斯涌出量占所有邻近层瓦斯涌出量总和的45.4%，因此需要进行上覆7#、8#煤层卸压抽采。

为了强化对9#煤层上邻近层的瓦斯抽采，根据相关近距离煤层群瓦斯治理经验，可以设计7#、8#、9#分层高位抽采钻孔，在回风顺槽中沿顶板裂隙带走向布置，如图3所示。

图3　9#煤层分层高位钻孔布置示意图Table 3　Boreholes arrangement at top slice face on No.9 coal seam

设计钻场间距为40 m，每个钻场内按9°～11°布置9个钻孔，前后钻场钻孔参数一样。钻孔在垂直方向上分布特征为：每个钻场的9个钻孔分为3组布置，其中1#、2#、3#钻孔终孔布置在7#煤层的顶板，4#、5#、6#钻孔终孔布置在8#煤层顶板中，7#、8#、9#钻孔终孔布置在8#煤层底板中，呈扇形分布，孔径取113 mm，钻孔长度130 m，封孔深度大于7 m。在应用中，通过对9#煤层试验工作面的考察分析来摸索不同分层钻孔随采煤工作面推进的时空关系，通过对瓦斯数据的分析进而判断该项技术应用对于整个9#煤层瓦斯处理的整体适用性和可靠性。

3.3　采空区瓦斯抽采

对9#煤层开采有影响的采空区瓦斯来源有两部分，一是上覆8#煤层开采后所形成的采空区，二是9#煤层工作面回采结束后所形成的采空区。若不对以上两个来源的采空区瓦斯进行抽放，会导致大量游离瓦斯涌向采空区和采掘工作面，增大局部瓦斯含量，成为潜在的危险源[10-11]。

对于上覆煤层采空区瓦斯处理，在9#煤层开采工作面回风顺槽超前30 m布置钻场，根据煤层方位倾角来确定钻场参数。由9#煤层顶板向8#煤层打高位抽放钻孔，每40 m一组，每组密集布置，孔径113 m，呈扇形分布。

对于回采工作面的采空区瓦斯，可以在采空区打密闭墙并插管来抽采瓦斯。为使密闭墙有良好的密封性，在墙壁四周挖沟槽，将建筑用砖压进去，空隙用黄土夯实。密闭墙厚度不小于3 m，瓦斯抽采管路布置在密闭墙上部，未抽放前将管口封堵，避免内部瓦斯泄露。

3.4　地面“U”型井抽采

虽然通过现有的瓦斯综合治理方案可以解决瓦斯超限，满足矿井生产安全要求，但由于矿井可采煤层最大埋深达600 m以上，随着开采深度的增加，相应的瓦斯含量和瓦斯压力也逐步增加[12]。为了解决开采深部煤层的瓦斯问题，保障矿井生产安全，根据相似地质条件的生产矿井已有经验，可以进行“U”型井施工试验，以加大瓦斯的抽采力度，降低深部煤层瓦斯压力。其结构图如图4所示。