楊晉華

(晉城市煤礦安全生產(chǎn)管理中心，山西 晉城 048000)

瓦斯是影響當(dāng)前煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。由于礦井瓦斯突出和瓦斯爆炸，每年造成數(shù)十億計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)井下工作人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅，并且隨著開(kāi)采深度和產(chǎn)量的逐漸增大，瓦斯對(duì)于礦井生產(chǎn)的影響程度越來(lái)越大[1]。對(duì)生產(chǎn)礦井進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，確定礦井開(kāi)采瓦斯涌出等級(jí)，是進(jìn)行礦井設(shè)計(jì)和選定瓦斯防治措施的依據(jù)[2]。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瓦斯涌出量并選擇恰當(dāng)?shù)耐咚狗乐未胧?，?duì)于指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)、減低開(kāi)采成本和提高開(kāi)采效率具有重要的指導(dǎo)意義[3-5]。

1　礦井概況

山西三元福達(dá)煤業(yè)為重組整合礦井，批準(zhǔn)開(kāi)采8#—15#煤層，行政區(qū)劃屬山西省武鄉(xiāng)縣墨鐙鄉(xiāng)管轄。井田位于沁水煤田中東部沁水復(fù)向斜東翼、晉獲褶斷帶南部西側(cè)，總體為一走向NE、傾向NW的單斜構(gòu)造，地層傾角平緩，一般4°～12°，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5條正斷層，其中落差為7 m的1條，其余正斷層落差介于1 m～2 m之間，發(fā)現(xiàn)陷落柱11個(gè)，井田地質(zhì)構(gòu)造尚屬簡(jiǎn)單。井田內(nèi)的可采煤層為8#、9#和15#，煤層間距較近，賦存區(qū)大部可采，煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為中細(xì)粒砂巖[6]。平均總厚7.31 m，可采系數(shù)4.07%，煤巖組分以亮煤為主，主要為煉焦用煤。

2　瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

對(duì)生產(chǎn)工作面進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，對(duì)于整個(gè)礦井的通風(fēng)設(shè)計(jì)、安全管理和瓦斯預(yù)防具有重要的參考作用。采用分源預(yù)測(cè)的方法進(jìn)行本次瓦斯涌出量預(yù)測(cè)[7]。

2.1　預(yù)測(cè)條件

1)在礦井開(kāi)采中期擬進(jìn)行9#和15#煤層聯(lián)合開(kāi)采，采掘比為2：4，9#工作面回采率取95%，15#工作面回采率取90%，工作面長(zhǎng)度150 m。順槽掘進(jìn)速度為每月350 m。

2)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，9#煤層平均厚度1.36 m，15#煤層平均厚度4.67 m。9#煤層回采工作面日產(chǎn)量為1 008 t，采區(qū)日產(chǎn)量為1 060 t；15#煤層一采區(qū)跟9#煤層配采時(shí),回采工作面日產(chǎn)量為2 447 t，采區(qū)日產(chǎn)量為2 575 t；15#煤層二采區(qū)單獨(dú)開(kāi)采時(shí)回采工作面日產(chǎn)量為3 454 t，采區(qū)日產(chǎn)量為3 636 t。

3)設(shè)計(jì)年工作日330 d。

2.2　瓦斯含量測(cè)定

本次瓦斯含量的測(cè)定采用鉆孔煤屑解析法，由于現(xiàn)場(chǎng)采樣條件的限制，在本次測(cè)定中僅能選取一個(gè)有效測(cè)點(diǎn)，為了彌補(bǔ)9#、15#煤層瓦斯控制點(diǎn)數(shù)量不足，收集了滿足可靠性評(píng)價(jià)原則的地勘時(shí)期的瓦斯鉆孔含量，其結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1　9#和15#煤層瓦斯含量匯總表Table 1　Gas content of No.9 and No.15 coal seams

注：測(cè)點(diǎn)1位于原墨鐙鄉(xiāng)礦帶式輸送機(jī)大巷出口100 m處，測(cè)點(diǎn)2位于原墨鐙鄉(xiāng)礦皮帶運(yùn)輸大巷出口100 m處

根據(jù)表1，進(jìn)行線性回歸分析，得到9#和15#煤層分布規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可知煤層瓦斯含量W與埋藏深度H的關(guān)系式為：

9#煤層，W=0.015H+1.520 2,R2=0.990 3;

15#煤層，W=0.012 1H+0.260 7,R2=0.973 7.式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

由此可以得到9#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為1.5 m3/t/100 m；15#煤層瓦斯含量增長(zhǎng)梯度為1.22 m3/t/100 m。

圖1　瓦斯含量與埋深關(guān)系圖Fig.1　Relation between gas content and buried depth

2.3　瓦斯涌出量

對(duì)回采工作面瓦斯來(lái)源進(jìn)行分析，得到礦井生產(chǎn)中期瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2　礦井生產(chǎn)中期瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2　Prediction of gas emission in the mid-term production in mines

礦井瓦斯涌出量可按下式計(jì)算[8]。

式中：q為礦井相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；qqi為第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；Aoi為第i個(gè)生產(chǎn)采區(qū)平均日產(chǎn)量，t；K″為已采采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)。

由表2預(yù)測(cè)結(jié)果表明，在三元福達(dá)煤業(yè)開(kāi)采中期9#、15#煤層以120萬(wàn)t/a產(chǎn)量聯(lián)合開(kāi)采時(shí)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量48.51 m3/min，最大相對(duì)瓦斯涌出量為19.21 m3/t，為高瓦斯礦井，瓦斯涌出主要來(lái)源于開(kāi)采層和鄰近層，采空區(qū)次之。

3　瓦斯綜合防治

隨著煤層埋藏深度的增大，瓦斯含量也隨之增大。為了減少瓦斯對(duì)生產(chǎn)的影響，必須對(duì)礦井的高瓦斯進(jìn)行治理，以達(dá)到防治的目的[9]。由于9#、15#煤層都屬于可抽采煤層，且開(kāi)采初期進(jìn)行8#和15#煤層的聯(lián)合開(kāi)采，15#煤層已形成一套完整的瓦斯防治系統(tǒng)，所以本文主要針對(duì)9#煤層進(jìn)行瓦斯抽采設(shè)計(jì)和綜合防治。

3.1　本煤層瓦斯抽采

根據(jù)已采8#煤層瓦斯抽放經(jīng)驗(yàn)，可以在9#煤層首采工作面采用打順層交叉斜鉆孔進(jìn)行本煤層的瓦斯預(yù)抽，9#煤層采區(qū)工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)為200 m，順槽長(zhǎng)度為1 000 m，因此可以設(shè)計(jì)抽采鉆孔長(zhǎng)度為110 m，孔徑為94 mm，因?yàn)殂@孔靠近煤層中部，即距9#煤底板0.7 m～0.8 m，由于9#煤層的透氣性系數(shù)并不高，故采取密集鉆孔。根據(jù)開(kāi)采初期的抽采經(jīng)驗(yàn)，可以選定鉆孔間距為2 m，并通過(guò)對(duì)實(shí)際鉆孔有效抽采半徑的考察來(lái)調(diào)整鉆孔間距。其鉆孔傾角根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工作面的傾角來(lái)確定，瓦斯預(yù)抽時(shí)間不少于180 d，封孔深度應(yīng)大于鉆孔孔口所在位置的裂隙帶深度，不少于7 m。9#煤層與采空區(qū)瓦斯抽放圖見(jiàn)圖2。

3.2　鄰近層分層抽采

9#煤開(kāi)采后，由于采場(chǎng)圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)，產(chǎn)生大量裂隙和瓦斯通道，使得鄰近煤巖層中產(chǎn)生大量的卸壓瓦斯并涌入采區(qū)，從而造成開(kāi)采層瓦斯?jié)舛鹊纳?。?#煤層各鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算中，上覆的7#和8#煤層的瓦斯涌出量占所有鄰近層瓦斯涌出量總和的45.4%，因此需要進(jìn)行上覆7#、8#煤層卸壓抽采。

為了強(qiáng)化對(duì)9#煤層上鄰近層的瓦斯抽采，根據(jù)相關(guān)近距離煤層群瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)7#、8#、9#分層高位抽采鉆孔，在回風(fēng)順槽中沿頂板裂隙帶走向布置，如圖3所示。

圖3　9#煤層分層高位鉆孔布置示意圖Table 3　Boreholes arrangement at top slice face on No.9 coal seam

設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)間距為40 m，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)按9°～11°布置9個(gè)鉆孔，前后鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)一樣。鉆孔在垂直方向上分布特征為：每個(gè)鉆場(chǎng)的9個(gè)鉆孔分為3組布置，其中1#、2#、3#鉆孔終孔布置在7#煤層的頂板，4#、5#、6#鉆孔終孔布置在8#煤層頂板中，7#、8#、9#鉆孔終孔布置在8#煤層底板中，呈扇形分布，孔徑取113 mm，鉆孔長(zhǎng)度130 m，封孔深度大于7 m。在應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)9#煤層試驗(yàn)工作面的考察分析來(lái)摸索不同分層鉆孔隨采煤工作面推進(jìn)的時(shí)空關(guān)系，通過(guò)對(duì)瓦斯數(shù)據(jù)的分析進(jìn)而判斷該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用對(duì)于整個(gè)9#煤層瓦斯處理的整體適用性和可靠性。

3.3　采空區(qū)瓦斯抽采

對(duì)9#煤層開(kāi)采有影響的采空區(qū)瓦斯來(lái)源有兩部分，一是上覆8#煤層開(kāi)采后所形成的采空區(qū)，二是9#煤層工作面回采結(jié)束后所形成的采空區(qū)。若不對(duì)以上兩個(gè)來(lái)源的采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，會(huì)導(dǎo)致大量游離瓦斯涌向采空區(qū)和采掘工作面，增大局部瓦斯含量，成為潛在的危險(xiǎn)源[10-11]。

對(duì)于上覆煤層采空區(qū)瓦斯處理，在9#煤層開(kāi)采工作面回風(fēng)順槽超前30 m布置鉆場(chǎng)，根據(jù)煤層方位傾角來(lái)確定鉆場(chǎng)參數(shù)。由9#煤層頂板向8#煤層打高位抽放鉆孔，每40 m一組，每組密集布置，孔徑113 m，呈扇形分布。

對(duì)于回采工作面的采空區(qū)瓦斯，可以在采空區(qū)打密閉墻并插管來(lái)抽采瓦斯。為使密閉墻有良好的密封性，在墻壁四周挖溝槽，將建筑用磚壓進(jìn)去，空隙用黃土夯實(shí)。密閉墻厚度不小于3 m，瓦斯抽采管路布置在密閉墻上部，未抽放前將管口封堵，避免內(nèi)部瓦斯泄露。

3.4　地面“U”型井抽采

雖然通過(guò)現(xiàn)有的瓦斯綜合治理方案可以解決瓦斯超限，滿足礦井生產(chǎn)安全要求，但由于礦井可采煤層最大埋深達(dá)600 m以上，隨著開(kāi)采深度的增加，相應(yīng)的瓦斯含量和瓦斯壓力也逐步增加[12]。為了解決開(kāi)采深部煤層的瓦斯問(wèn)題，保障礦井生產(chǎn)安全，根據(jù)相似地質(zhì)條件的生產(chǎn)礦井已有經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)行“U”型井施工試驗(yàn)，以加大瓦斯的抽采力度，降低深部煤層瓦斯壓力。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　“U”型井結(jié)構(gòu)圖Fig.4　U-type well structure

3.5　加強(qiáng)瓦斯地質(zhì)研究

對(duì)煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律的研究分析可以揭示瓦斯在本區(qū)域內(nèi)生成、運(yùn)移和賦存規(guī)律。通過(guò)研究礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、煤巖構(gòu)造及其演化歷史，來(lái)確定礦區(qū)瓦斯防治重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)域，以便提前采取應(yīng)對(duì)措施，降低對(duì)生產(chǎn)的影響。

3.6　建立煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)

以福達(dá)煤礦現(xiàn)有的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，再結(jié)合GIS、紅外線檢測(cè)等多種技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的瓦斯數(shù)據(jù)實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立基于整個(gè)礦井的瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)井下瓦斯發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)并報(bào)警，從而有助于井下工作人員的及時(shí)撤離和事故隱患的排除，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分源預(yù)測(cè)的方法對(duì)礦井瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出福達(dá)煤礦生產(chǎn)中期為高瓦斯礦井，瓦斯涌出主要來(lái)源于本煤層和鄰近層，采空區(qū)次之。

針對(duì)9#煤層提出本煤層、鄰近層和采空區(qū)的瓦斯抽放設(shè)計(jì)，提出了針對(duì)9#、15#煤層聯(lián)合開(kāi)采的“U”型井抽采技術(shù)。

為了保障礦井的安全生產(chǎn)，除了進(jìn)行工作面瓦斯抽采之外，還需要加強(qiáng)瓦斯地質(zhì)規(guī)律研究和建立煤礦瓦斯安全監(jiān)控系統(tǒng)，以達(dá)到礦井瓦斯綜合防治的目的。