閆云勝 郭金剛

(峰峰集團羊渠河礦,河北省邯鄲市,056201)

1 問題的提出

羊渠河礦為煤與瓦斯突出礦井,主采2#煤層為突出煤層,4#煤層為非突出煤層,煤系地層柱狀圖見圖1。為解決2#煤層的突出問題,羊渠河礦選擇無突出危險的4#煤層作為保護層首先開采,以釋放2#煤層的瓦斯,并在保護范圍內(nèi)對應開采2#煤層。4#煤層和2#煤層均為走向長壁布置。4#煤層在回采時采用一進兩回的通風方式,其中一條刮板輸送機巷作為進風巷,一條運輸巷道、一條抽放巷作為回風巷。三條巷道均布置于4#煤層中,抽放巷與運料巷間留20 m煤柱,并在上一個工作面采空區(qū)留設3～5 m的防水隔離煤柱。此兩項共25 m左右的煤柱作為設計損失在短時期內(nèi)不能回收,而且由于4#煤層留有煤柱造成2#煤層在對應的區(qū)域內(nèi)沒有受到保護,在布置2#煤層工作面時受到很大的限制。

2 保護層開采后應力分布分析

圖1 煤系地層柱狀圖

保護層開采后,由于周圍巖層及煤層發(fā)生移動,引起巖層壓力重新分布,采空區(qū)上方形成自然平衡拱,壓力傳遞給采空區(qū)以外的巖層承受,對周圍巖層和煤層產(chǎn)生采動影響,在上覆頂板巖層中形成三個受影響的地帶:冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,在其底板也形成卸壓帶,如圖2所示。在冒落帶內(nèi)的煤層,瓦斯完全釋放到采空區(qū)內(nèi)。裂隙帶內(nèi)的煤層發(fā)生彎曲、變形,形成采動裂隙,由于煤層卸壓透氣性顯著增加。瓦斯在壓差的作用下,大量流向開采煤層的采空區(qū)。

圖2 煤層回采后頂?shù)装鍑鷰r的變化示意圖

保護層距開采煤層愈近,流向采空區(qū)的瓦斯量愈大。如果在這些煤層(或頂?shù)装鍘r層)內(nèi)開鑿抽瓦斯的巷道,或者向煤層打抽瓦斯的鉆孔,瓦斯就向兩個方向流動:一是沿煤層流向鉆孔或巷道;一是沿層間裂隙流向開采煤層的采空區(qū)。彎曲下沉帶遠離開采煤層,可以直達地表,呈平緩下沉狀態(tài),巖層的完整性未遭破壞,無采動裂隙與采空區(qū)相通,瓦斯一般不能流向采空區(qū)。

3 抽放巷位置的選擇

保護層工作面回采后,上覆巖層會產(chǎn)生三帶(即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶)。如果抽放巷布置過低,巷道位于采空區(qū)冒落帶與裂隙帶之間,由于巷道與大裂隙相通,會增加采空區(qū)的漏風,抽放的瓦斯流量很大但濃度很低,還會造成采空區(qū)煤炭自燃;如果巷道布置太高,巷道位于裂隙帶和彎曲下沉帶之間,由于溝通裂隙少,會造成瓦斯?jié)舛雀叩髁啃〉暮蠊?抽放效果也不好,只有將巷道布置在合理的位置,抽放效果才好。

開采保護層后頂板三帶及瓦斯流動情況,如圖3所示。

抽放卸壓區(qū)瓦斯的原則:一是要充分利用層間裂隙縮短瓦斯流程,減小流動阻力,使瓦斯及時被抽出;二是防止瓦斯沿垂直裂隙流入采空區(qū),起到攔截下泄瓦斯的作用。

根據(jù)峰峰集團公司開采保護層的經(jīng)驗,保護層層位的確定主要與開采層的間距有關,而該間距由保護層開采后引起的卸壓范圍所確定。保護層開采后引起的卸壓范圍主要與保護層的煤層厚度有關。保護層工作面采空區(qū)冒落高度為2～4倍的采高,采空區(qū)裂隙帶高度為10～30倍的采高。

圖3 工作面回采后頂板三帶及瓦斯流動示意圖

根據(jù)各煤層突出危險程度,峰峰集團各礦一般選擇無突出危險的4#煤層作為保護層開采(大淑村礦4#煤煤層具有突出危險)。

4 抽放巷位置比較

根據(jù)保護層開采后應力分布狀況、開采保護層后在礦井通風負壓的影響下采空區(qū)瓦斯流動情況及羊渠河礦煤系地層賦存情況,抽放巷布置有以下幾個方案。

4.1 抽放巷布置在無突出危險的4#煤層中

圖4 抽放巷布置在無突出危險的4#煤層中

這種布置方法也就是目前普遍采用的布置方法,如圖4所示。在4#煤層中布置刮板輸送機巷、運料巷和抽放巷,抽放巷通過小石門與運料巷聯(lián)系,抽放巷與運料巷之間留有20 m煤柱。但所留煤柱既會造成丟失煤炭又使被保護煤層留下未被保護區(qū)域。

4.2 抽放巷布置在距4#煤層7 m左右的3#煤層中

在4#煤層中布置刮板輸送機巷和運料巷,相鄰工作面留設3～5 m防水隔離煤柱;抽放巷布置在3#煤層中,通過小石門與運料巷聯(lián)系,如圖5所示。在4#煤層中沒有煤柱,不丟失煤炭,預計提高4#煤層和2#煤層的煤炭回收率20%;在被保護煤層中也不存在未被保護區(qū)域,但是由于距離保護層比較近(間距僅7 m左右),容易引起巷道變形垮落,使得巷道損壞而失去作用,在巷道中布置抽采管路也會損壞不能回收,造成浪費。

4.3 抽放巷布置在2#煤層和4#煤層之間的白岔口砂巖中

這種布置方式已經(jīng)在陽泉煤業(yè)集團使用多年。在4#煤層中布置刮板輸送機和運料巷,相鄰工作面留設3～5 m防水隔離煤柱;在4#煤層至2#煤層之間選擇距離4#煤層24～25 m、距離2#煤層12 m左右的白岔口砂巖頂板,沿工作面走向垂直工作面開采線掘一條貫穿工作面全長、斷面為5～6 m2的巖石巷道,使巷道始終處在工作面前方而不被破壞,服務于全工作面開采期間。在巷道中布置抽采鉆孔,安裝瓦斯抽采管路;將巷道口密閉,安裝瓦斯抽放管對巷道和鉆孔同時進行抽放。

這種布置方式使得抽采巷道位于保護層和被保護層之間,在礦井通風負壓和管路瓦斯抽采負壓的共同作用下,被保護層的卸壓瓦斯絕大部分在未到達保護層之前即被截住,只有少量的進入保護層的采空區(qū)中,因而提高了抽采量和抽采率,而且在巷道中布置的抽采管路還可以回收重新使用,并杜絕了煤炭丟失和留下未保護區(qū)的隱患,主要缺點是全巖掘進施工比較困難,成本較高。

根據(jù)陽泉煤業(yè)集團的經(jīng)驗,這種方式瓦斯抽采量平均可達到60 m3/min以上,抽采鄰近層涌出瓦斯可達90%以上。

圖5 抽放巷布置在距4#煤層7 m左右的一座煤層中

4.4 抽放巷布置在2#煤層頂板的細粒砂巖中

這種布置方式與第三種布置方式類似,只是位置不同。它是將巷道布置在距離2#煤層頂板5 m左右的巖石中,以碳線砂巖為頂板,距離保護層4#煤層42 m左右。缺點除了具有第三種布置方式的缺點外,還有因抽采壓力和礦井通風負壓不一致而導致抽采效果差的缺點。

綜合上述,各方案優(yōu)缺點見表1。

表1 抽放巷布置方案比較

續(xù)表

5 抽放巷層位選擇的原則

綜上所述,抽放巷布置的層位有多種多樣,抽放巷層位的選擇有以下原則:

(1)要盡量減少并消除在被保護煤層中留有未保護區(qū)域;

(2)要有利于最大限度地卸放瓦斯,最大限度地釋放被保護層內(nèi)煤體中富含的瓦斯;

(3)要保證抽放巷在保護層工作面整個回采期間的完整,并發(fā)揮作用;

(4)要有利于抽放設施的回收,以重新復用,減少投入;

(5)要盡量減少煤炭的損失。

[1] 撫順礦務局,陽泉礦務局,煤炭科學研究院撫順研究所.煤礦抽放瓦斯手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1980

[2] 尚書海,趙軍凱,付京斌.峰峰煤礦瓦斯煤塵防治技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2006

[3] 包劍影,蘇燧,李貴賢.陽泉煤礦瓦斯治理技術[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996