向 東

(山西壽陽(yáng)潞陽(yáng)麥捷煤業(yè)有限公司,山西 晉中 045400)

為保障中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)對(duì)煤炭的需求,我國(guó)煤礦機(jī)械化程度大幅提高,工作面單產(chǎn)產(chǎn)能不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)采場(chǎng)不斷向下延展,許多煤礦呈現(xiàn)出煤層瓦斯壓力大、瓦斯含量高、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。近些年來(lái),我國(guó)加大了煤礦瓦斯災(zāi)害防治工作,在瓦斯治理、瓦斯抽采和礦井瓦斯地質(zhì)研究等方面取得了巨大的進(jìn)步和成就。在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井中,采取合理的瓦斯治理措施,消除工作面瓦斯隱患,是實(shí)現(xiàn)綜掘、綜采工作面高產(chǎn)高效的前提和基礎(chǔ)[1]。

1 礦井及工作面概況

麥捷礦井田屬高瓦斯礦井。150206軌道順槽掘進(jìn)工作面東為二采區(qū)主巷、西為F3斷層、南為井田邊界保護(hù)煤柱(鄰博大京魯煤業(yè)采空區(qū))、北為150206皮帶順槽掘進(jìn)工作面。150206軌道順槽和皮帶順槽均沿15號(hào)煤層頂板掘進(jìn),平均煤厚3.2 m,斷面為矩形,寬4.5 m×高3.3 m,日循環(huán)進(jìn)度10 m,兩工作面均采用兩臺(tái)FBDN06.3型通風(fēng)機(jī)壓入式供風(fēng)。功率為30 kW,一用一備,工作面實(shí)際配風(fēng)量386 m3/min,風(fēng)速0.43 m/s。掘進(jìn)時(shí)工作面混合風(fēng)流甲烷傳感器安設(shè)在巷道內(nèi)風(fēng)筒對(duì)幫距工作面迎頭不大于5 m的位置,工作面回風(fēng)流甲烷傳感器安設(shè)在距回風(fēng)口10 m至15 m位置,巷道開(kāi)始掘進(jìn)至400 m位置時(shí)工作面混合風(fēng)流瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃跋锏劳咚褂砍隽繑?shù)據(jù)如表1所示。

表1 150206軌道、皮帶掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛?、涌出量統(tǒng)計(jì)Table 1 Gas concentration and emission of No.150206 working face with track or belt

根據(jù)歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)麥捷煤礦15號(hào)煤層掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量均在0.5 m3/min以下,掘進(jìn)工作面不進(jìn)行抽采,僅依靠通風(fēng)解決瓦斯涌出問(wèn)題。150206軌道順槽掘進(jìn)工作面掘進(jìn)落煤期間在400 m位置混合風(fēng)流最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.15%,回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.7%,絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到2.702 m3/min,瓦斯?jié)舛?、涌出量遠(yuǎn)高于歷年來(lái)其他煤巷掘進(jìn)工作面,已威脅到工作面作業(yè)人員的安全,制約工作面的高效生產(chǎn)。2013年-2018年度絕對(duì)瓦斯涌出量最大的掘進(jìn)工作面統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 2013年-2018年度絕對(duì)瓦斯涌出量最大的掘進(jìn)工作面統(tǒng)計(jì)Table 2 Absolute maximum gas emission by working face from 2013 to 2018

2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量計(jì)算

綜掘工作面煤巷瓦斯涌出來(lái)源由煤壁瓦斯和落煤瓦斯兩部分構(gòu)成,一般情況下從巖石涌出的瓦斯量很少,可忽略不計(jì)[2]。在不考慮其他補(bǔ)充瓦斯來(lái)源的情況下,150206軌道順槽瓦斯涌出量采用分源預(yù)測(cè)法進(jìn)行計(jì)算[3],其計(jì)算公式如下:

Q=Qx+QL.

(1)

式中:Q為掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min;Qx為巷道煤壁絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min;QL為落煤絕對(duì)瓦斯涌出量,m3/min。

2.1 煤壁瓦斯涌出量計(jì)算

(2)

式中:D為巷道斷面內(nèi)暴露煤壁面的周邊長(zhǎng)度,該工作面煤層厚度3.2 m,屬中厚煤層,則D=6.4 m;V為巷道平均掘進(jìn)速度,V=0.006 94 m/min;L為巷道長(zhǎng)度,400 m,Q0為煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/(m2·min),無(wú)實(shí)測(cè)值,參考式(3)計(jì)算。

Q0=0.026×[0.000 4(Vr)2+0.16]W.

(3)

式中:Q0為煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度,m3/(m2·min);Vr為煤中揮發(fā)分含量,取13.96%;W為煤層原始瓦斯含量,m3/t,取6.235 1。

計(jì)算得:Qx=0.552 3 m3/min。

2.2 落煤的瓦斯涌出量計(jì)算

QL=SVY(W-W0) .

(4)

式中:QL為落煤的瓦斯涌出量,m3/min;S為掘進(jìn)巷道斷面積,巷道高度3.3 m,寬度4.5 m,則S=14.85 m2;V為割煤時(shí)平均掘進(jìn)速度,掘進(jìn)1 m所需時(shí)間按20 min計(jì)算,則V=0.05 m/min;Y為煤的密度,取1.45 t/m3;W為煤層原始瓦斯含量,取6.235 1 m3/t;W0為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量,測(cè)定瓦斯含量過(guò)程中井下解吸時(shí)間大概10 min左右結(jié)束,相當(dāng)于煤炭自采落到運(yùn)出工作面所用時(shí)間,W0值取常壓解吸W2、粉碎解吸W3和殘存瓦斯含量WC之和,W2、W3、WC值如表3所示,則W0=W2+W3+WC=5.845 5 m3/t。

計(jì)算得:QL=0.419 5 m3/min。

分源預(yù)測(cè)法計(jì)算得150206軌道順槽工作面掘進(jìn)至400 m時(shí),割煤期間該工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量為Q=Qx+QL=0.552 3+0.419 5=0.971 8 m3/min。

表3 近5年實(shí)測(cè)原始瓦斯含量最大煤巷掘進(jìn)工作面統(tǒng)計(jì)Table 3 Driving faces with maximum gas concentration in recent five years

3 工作面瓦斯涌出異常分析

3.1 工作面瓦斯涌出數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,150206軌道順槽掘進(jìn)工作面掘進(jìn)至400 m割煤期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.70%,混合風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.15%,停止割煤后混合回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.03%,實(shí)測(cè)工作面風(fēng)量386 m3/min。計(jì)算得掘進(jìn)期間實(shí)際瓦斯涌出量為2.702 m3/min,落煤瓦斯涌出量為0.463 2 m3/min,則煤壁瓦斯和其他瓦斯涌出總量為2.238 8 m3/min。150206軌道順槽掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量如表4所示。

表4 150206軌道順槽掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量Table 4 Absolute gas emission of No.105206 working face with track gateway

由表4分析得出,在不考慮其他補(bǔ)充瓦斯來(lái)源的情況下,分源預(yù)測(cè)法計(jì)算的落煤瓦斯涌出與實(shí)際落煤瓦斯涌出情況基本相符,但工作面瓦斯涌出量與實(shí)際涌出量相差很大。結(jié)合兩種方法的計(jì)算結(jié)果推算出Qqt=2.238 8-0.552 3=1.626 5 m3/min,分析得出150206軌道順槽工作面除巷道煤壁和落煤瓦斯涌出外,存在其他瓦斯涌出來(lái)源。

3.2 工作面瓦斯涌出異常原因分析

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù),150206軌道順槽頂?shù)装鍘r性為泥巖、灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖的致密巖層,而且厚度大,橫向巖性變化小,圍巖透氣性差。從地層綜合柱狀圖來(lái)看,15號(hào)煤深部無(wú)瓦斯補(bǔ)充來(lái)源,距上部12號(hào)煤平均間距40 m,故基本可以排除掘進(jìn)期間鄰近煤層瓦斯沿巷道頂?shù)装辶严断蚬ぷ髅嬗砍龅目赡苄?。從周邊礦井的調(diào)查報(bào)告來(lái)看,鄰近礦井采空區(qū)標(biāo)高低于150206軌道順槽標(biāo)高約30 m,有利于瓦斯向上部運(yùn)移。從采掘接替來(lái)看,150206工作面屬礦井二采區(qū)的孤島面,沿空巷道掘進(jìn)期間兩巷壓力大,應(yīng)力集中,巷道圍巖松動(dòng)圈較大,壓力顯現(xiàn)更為明顯,成巷10 d后表面位移觀測(cè)站觀測(cè)圍巖最大的水平變形量345 mm,垂直變形量212 mm,沿空巷道保護(hù)煤柱變形量高出其他掘進(jìn)巷道的1倍左右。在高應(yīng)力作用下保護(hù)煤柱處于流變狀態(tài)從而促進(jìn)煤體裂隙生成、加劇煤柱變形,為鄰近礦井采空區(qū)瓦斯向工作面涌出提供通道。

通過(guò)查閱礦井瓦斯地質(zhì)報(bào)告、礦井采掘平面圖(見(jiàn)圖1)及地質(zhì)相關(guān)資料,F3正斷層從西鄰博大京魯煤礦延伸過(guò)來(lái),位于井田中部,斷層走向近東西,傾向南,傾角45°～75°。該斷層錯(cuò)斷了8、9、12、15#煤層,落差為18 m～40 m,區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度3 660 m,向東西延展至區(qū)外,屬?gòu)埿哉龜鄬?。從礦井采掘平面圖的煤層底板等高線來(lái)看,礦井二采區(qū)等高線呈一組曲線,軸兩側(cè)等高線對(duì)應(yīng)出現(xiàn),近軸標(biāo)高低,整體為典型的向斜構(gòu)造。150206軌道順槽400 m位置恰好處于向斜的軸部。

目前的煤炭地質(zhì)瓦斯研究普遍認(rèn)為:

1)從斷層的性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)分析,一般張性正斷層屬于開(kāi)放性斷層,透氣性較好[4]。

2)如果斷層規(guī)模很大、斷距很長(zhǎng),一般與煤層接觸的對(duì)盤(pán)巖層屬致密不透氣的概率會(huì)減小[5]。

3)由于斷層集中應(yīng)力帶的影響,距斷層一定距離的煤層的透氣性因受集中應(yīng)力作用而降低,故而會(huì)出現(xiàn)瓦斯含量增高區(qū)。

4)向斜軸部巖層受到強(qiáng)力擠壓,圍巖的透氣性下降,有利于軸部地區(qū)封存瓦斯。因此F3張性正斷層的存在為鄰近礦井的采空區(qū)瓦斯向150206軌道順槽運(yùn)移提供了條件,F3斷層和向斜構(gòu)造的存在也合理的解釋了150206軌道順槽原始瓦斯含量明顯高于其他采掘面的現(xiàn)象。

綜上所述,分析認(rèn)為F3斷層、向斜構(gòu)造導(dǎo)致工作面原始瓦斯含量增高;F3斷層、采掘接替關(guān)系導(dǎo)致鄰近礦井采空區(qū)瓦斯通過(guò)斷層、煤柱向工作面涌出。因此煤體原始瓦斯含量增高及鄰近礦井采空區(qū)瓦斯涌出是150206軌道順槽工作面瓦斯涌出異常的主要原因。

4 掘進(jìn)期間瓦斯治理措施及效果

通過(guò)對(duì)150206軌道順槽掘進(jìn)工作面瓦斯涌出來(lái)源的計(jì)算和分析,綜合考慮地應(yīng)力、瓦斯含量和煤層抗壓強(qiáng)度以及工作面傾向和走向長(zhǎng)度的影響,決定采取以下措施，并取得良好的治理效果。

4.1 工作面掘進(jìn)期間瓦斯治理措施

1)加大工作面配風(fēng)。原30 kW壓入式通風(fēng)機(jī)更換為45 kW風(fēng)機(jī),原Φ800 mm風(fēng)筒更換為Φ1 000 mm風(fēng)筒,工作面風(fēng)量由原來(lái)的386 m3/min增至550 m3/min,提高風(fēng)排瓦斯能力。

2)增加保護(hù)煤柱寬度。井田邊界保護(hù)煤柱由原來(lái)的20 m增加至40 m,提高煤柱的抗壓強(qiáng)度,減緩煤柱裂隙生成,降低鄰近礦井采空區(qū)瓦斯向工作面運(yùn)移速度。

3)加強(qiáng)巷道幫頂?shù)闹ёo(hù)強(qiáng)度。錨桿間排距由1 m縮小至0.8 m,增加幫頂?shù)闹ёo(hù)強(qiáng)度,減小圍巖、煤柱的變形量,減小煤柱裂隙生成。

4)加強(qiáng)工作面各地點(diǎn)瓦斯監(jiān)測(cè)。工作面瓦斯監(jiān)控探頭、機(jī)載式瓦檢儀、懸掛便攜式瓦檢儀的報(bào)警濃度由0.8%降低至0.5%,加強(qiáng)工作面的瓦斯監(jiān)控及管理,發(fā)現(xiàn)瓦斯異常升高及時(shí)匯報(bào)分析并采取撤人、斷電、排瓦斯等措施。

4.2 工作面瓦斯治理效果

掘進(jìn)落煤期間實(shí)測(cè)工作面平均瓦斯?jié)舛?.07%,濃度下降53.3%;回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.20%,濃度下降71.4%;工作面絕對(duì)瓦斯涌出量1.1 m3/min,涌出量下降59.3%。

5 工作面回采期間針對(duì)性瓦斯治理措施建議

1)工作面軌道順槽加密施工本煤層鉆孔,進(jìn)行采前預(yù)抽,降低回采期間本煤層瓦斯涌出量。

2)工作面軌道順槽施工高低位裂隙帶鉆孔,進(jìn)行邊采邊抽,降低鄰近層、采空區(qū)瓦斯涌出量。

3)加大超前支護(hù)范圍,增加超前支護(hù)范圍內(nèi)的支護(hù)密度,加大巷道臥底量,降低煤柱所受壓力,減小巷道變形量,降低鄰近礦井采空區(qū)瓦斯涌出,保證進(jìn)回風(fēng)斷面完整。

4)加強(qiáng)工作面及兩巷的應(yīng)力監(jiān)測(cè),摸清應(yīng)力分布狀況,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力異常及時(shí)采取卸壓措施。

5)加強(qiáng)工作面兩巷的端頭管理,及時(shí)退錨,防止兩巷端頭懸頂超距。頂板懸頂超距時(shí)采取填充、強(qiáng)制放頂?shù)认嚓P(guān)技術(shù)措施,防止瓦斯積聚。

6 結(jié)束語(yǔ)

F3張性正斷層、向斜構(gòu)造的存在導(dǎo)致軌道順槽原始瓦斯含量明顯增高,同時(shí)斷層的性質(zhì)及采掘接替的關(guān)系為采空區(qū)瓦斯向工作面運(yùn)移提供便利。因此分析研究認(rèn)為:麥捷煤礦150206軌道順槽掘進(jìn)工作面瓦斯異常涌出是煤體原始瓦斯含量高及鄰近礦井采空區(qū)瓦斯向工作面涌出共同導(dǎo)致。在以后的瓦斯治理工作中應(yīng)該充分考慮圍巖透氣性、地質(zhì)構(gòu)造、采掘接替、地應(yīng)力等對(duì)煤層原始瓦斯含量及瓦斯運(yùn)移的影響,有針對(duì)性的提出科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)和可操作性的措施。