劉 濤

（山西煤礦安全培訓中心山西太原 030012）

0 引言

隨著淺部煤炭資源的大量采出，煤礦開采逐漸向深部轉移，煤層開采深度的增大同時也給礦井的生產(chǎn)帶來了礦壓、瓦斯等一系列問題，特別是對于一些煤層厚度較大的礦井，由于煤層開采厚度的增大，其來壓強度與來壓步距有了一定的改變，來壓過程中瓦斯的涌出情況也有了很大的改變[1～3]。為提高在特厚煤層中瓦斯抽采效果，明確瓦斯涌出與工作面來壓之間的關系，本文以山西某礦特厚煤層開采地質條件為背景，對工作面瓦斯特征與抽采方案進行了研究，該研究結果可為相鄰其他工作面提供一定的實踐經(jīng)驗，并且對其他礦區(qū)有著一定的借鑒意義。

1 工程概況

山西某礦設計生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a，主采煤層為3-5#煤層，煤層傾角較小平均為5°，煤層厚度平均為15.8 m，埋深平均為450 m，工作面采用綜合機械化放頂煤開采方式。在綜放工作面正?；夭傻倪^程中，瓦斯絕對涌出量在15 m3/min～39 m3/min范圍內，當工作面發(fā)生劇烈來壓時，瓦斯涌出量發(fā)生明顯升高，最大達到67 m3/min。由于工作面開采強度較大，傳統(tǒng)的瓦斯抽采措施無法有效的降低工作面來壓時的瓦斯涌出量，因此有必要采取新的瓦斯抽采方案。

根據(jù)重慶煤科院對煤層瓦斯參數(shù)的測量，煤層瓦斯的壓力在0.09 MPa～0.24 MPa范圍內，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.57 d-1～0.74 d-1，礦井共布置兩個盤區(qū)，其中一盤區(qū)瓦斯含量為1.78 m3/t，煤層的透氣性系數(shù)在171.7 m2/(MPa2·d)～428.8 m2/(MPa2·d)范圍內，二盤區(qū)瓦斯含量為2.64 m3/t，煤層的透氣性系數(shù)在1.11×10-4m2/(MPa2·d)～1.33×10-4m2/(MPa2·d)，從測定結果可知，兩個盤區(qū)均屬于瓦斯難抽采煤層，煤層透氣性較差，瓦斯聚集能力較低，傳統(tǒng)的瓦斯抽采方案無法達到預想效果。

為獲得綜放工作面開采過程中瓦斯含量的變化情況，取二盤區(qū)8212和8204工作面作為地質條件背景進行分析。8212工作面開采煤層的厚度平均為11.2 m，工作面推進方向長度共2610 m，傾斜長度為230 m，工作面采煤高度為3.5 m，放煤高度為7.7 m，直接頂巖層主要為泥巖與砂質泥巖，平均厚度為11.4 m，基本頂主要為粉砂巖與細砂巖，平均厚度為23.4 m，工作面通風方式為U型通風。8204工作面推進方向長度為1 020 m，傾斜長度為207 m，開采煤層平均厚度為14.3 m，工作面采高為3.5 m，放煤高度為10.8 m，通風方式與8212工作面相同，為U型通風方法。

2 工作面瓦斯與來壓關系分析

在8212工作面回采過程中，對工作面頂板發(fā)生來壓情況進行統(tǒng)計，同時對發(fā)生來壓時的瓦斯涌出情況進行統(tǒng)計，從而得到瓦斯涌出量與工作面來壓之間的關系，見圖1。從圖中可以看出，當工作面發(fā)生來壓時，空氣中的瓦斯含量出現(xiàn)明顯的上升情況，瓦斯涌出量超過正常含量的50%以上；在工作面采空區(qū)上隅角與回風巷道內，瓦斯含量變化幅度較小，瓦斯含量變化較大的區(qū)域主要在瓦斯預抽巷內，表明在工作面布置瓦斯預抽巷可以起到較好的瓦斯抽采效果。但工作面發(fā)生周期來壓時，預抽巷內的瓦斯含量出現(xiàn)急劇增大，最大達到2.58%，可以看出當工作面發(fā)生來壓時，采空區(qū)中的瓦斯大量涌入到工作面中，導致工作面瓦斯含量的突增。

圖1 工作面來壓與瓦斯含量變化關系圖

工作面各種來壓現(xiàn)象主要因為覆巖巖層的運動產(chǎn)生，巖層的彎曲、破斷規(guī)律形成了工作面初次來壓、周期來壓，根據(jù)上文分析可知，工作面頂板巖層的運動規(guī)律與來壓強度對采空區(qū)瓦斯的涌出情況有著決定性的作用。根據(jù)國家煤礦頂板分類標準，該工作面直接頂屬于第Ⅲ類穩(wěn)定頂板，基本頂為第Ⅳ類穩(wěn)定頂板，頂板來壓強度均比較大。由于工作面頂板來壓步距較大，懸頂長度增大導致煤壁區(qū)域承受壓力增大，煤壁區(qū)破碎程度較高，內部產(chǎn)生許多節(jié)理裂隙，形成了瓦斯的運移通道，導致工作面瓦斯涌出量的增大。

3 工作面煤體瓦斯?jié)B流特征分析

工作面煤層的開挖會引起周圍巖體應力重新分布，在煤壁前方形成應力集中區(qū)，而在采空區(qū)后方形成應力降低區(qū)[4]。上文研究表明頂板巖層的破斷規(guī)律對瓦斯涌出規(guī)律有著決定性作用，由于該礦井頂板巖層硬度較大，懸頂長度的增大導致煤壁前方應力集中區(qū)內承載增大，形成大量裂隙，煤層瓦斯?jié)B透率也有了很大的提升，在此區(qū)域內瓦斯出現(xiàn)卸壓情況，并且流動性有了很大的提升。對8212工作面推進過程進行數(shù)值模擬，得到工作面推進距離與圍巖應力分布關系，即工作面前方120 m范圍內為應力升高區(qū)域，煤壁前方40 m范圍應力水平較高，受工作面回采影響較大，煤壁后方采空區(qū)18 m范圍內應力較低，為應力降低區(qū)。

圖2 工作面推進距離與圍巖應力關系圖

綜合上述分析結果，煤壁前方煤體依次為應力升高、卸載以及恢復至原巖應力三個區(qū)域，而在卸載區(qū)域內，煤體內裂隙較多，煤層滲透率會出現(xiàn)明顯增大，瓦斯流動性強，在此區(qū)域內對瓦斯進行抽采可以提高工作面瓦斯抽采效果，減小工作面來壓時瓦斯涌出量。

4 工作面瓦斯抽采方案

4.1 瓦斯抽采方案設計

根據(jù)上述研究結果，針對該礦井特厚煤層工作面條件，采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結合的瓦斯抽采方案。

圖3 8212瓦斯抽采示意圖

根據(jù)現(xiàn)場測試結果，8212工作面采空區(qū)內瓦斯分布規(guī)律如下：采空區(qū)與煤壁距離越大，瓦斯?jié)舛仍礁?；在工作面傾斜方向，回風巷一側瓦斯?jié)舛却笥谶M風巷一側；縱向上，水平較高位置瓦斯?jié)舛却笥谒捷^低位置。因此首先采取布置瓦斯高抽巷的方法對煤層瓦斯進行抽采，8212工作面瓦斯高抽巷布置在3-5#煤層上方，與煤層頂板垂直距離為20 m，水平與工作面回風巷為內錯關系，內錯距離20 m。高抽巷內瓦斯抽采量在750 m3/min～1 500 m3/min范圍內，工作面通風方式變更為U+I型通風，巷道布置見圖3。該方法可將采空區(qū)內的瓦斯流向高抽巷，令采空區(qū)上隅角瓦斯涌出量減小，降低了工作面空氣中瓦斯?jié)舛龋瑸楸ＷC瓦斯抽采效果，在抽采過程中，上隅角的瓦斯含量不得超過0.46%，回風流中瓦斯含量不得超過0.37%。

圖4 地面直井抽采示意圖

由于工作面開采過后，采空區(qū)頂板破斷隨著工作面推進距離的增大，逐漸呈現(xiàn)O性破斷特征，頂板破斷形成的裂隙同樣呈現(xiàn)O型圈，即在采空區(qū)邊緣頂板內裂隙發(fā)育要多于采空區(qū)中部頂板巖層。根據(jù)此頂板破斷結果，采用地面直井瓦斯抽采方法對采空區(qū)瓦斯進行抽采。通過在地面鉆井直接接入采空區(qū)內，鉆井位置沿O型圈布置，通過地面抽采系統(tǒng)的壓力，將采空區(qū)內的瓦斯聚集到該O型圈范圍內，通過巖層中的裂隙等進入到鉆井中實現(xiàn)對瓦斯的抽采。對于相鄰未采的的8204工作面，地面瓦斯抽采鉆井沿工作面走向進行布置，鉆孔以切眼前30 m為起點開始布置，鉆井間距為50 m，鉆井深度根據(jù)煤層埋深確定，深度約為450 m，鉆井與8204工作面回風巷呈內錯關系，內錯距離在15 m～40 m范圍內，鉆井布置如圖4所示。當工作面推進至與抽采鉆井15m距離時開始對瓦斯進行抽采，瓦斯抽采流量設計為1 270 m3/min，抽采過程中采空區(qū)上隅角瓦斯含量應不得超過0.8%范圍內，回風流中瓦斯含量應不得超過0.4%范圍內。

4.2 抽采效果分析

在工作面瓦斯抽采方案確定后，對20天內上隅角與回風流中瓦斯?jié)舛冗M行了監(jiān)測，監(jiān)測結果見圖5。從圖中可以看出，上隅角與回風流中瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@的下降，瓦斯?jié)舛仍诘谌旌箝_始后基本穩(wěn)定，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.3%～0.5%范圍內，回風流中瓦斯?jié)舛染S持在0.2%～0.35%范圍內，瓦斯?jié)舛容^小，表明采用瓦斯抽采措施后，能夠有效的降低工作面中瓦斯含量。

圖5 瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

5 結論

本文以山西某礦特厚煤層工作面地質條件為基礎，對工作面來壓與瓦斯涌出量關系進行了研究，并對瓦斯涌出量突增的機理進行了分析，提出了采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結合的瓦斯抽采方案，并對瓦斯高抽巷布置方案與地面瓦斯抽采鉆井方案進行了確定，從而解決工作面瓦斯含量超限的情況，對礦井安全、高效生產(chǎn)具有重要的意義。