崔佳斌

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

引 言

煤礦安全生產(chǎn)問題關(guān)系著煤礦綜采工作面的采煤效率和工作面作業(yè)人員安全。隨著綜采設(shè)備自動(dòng)化水平、開采工藝及采煤技術(shù)的進(jìn)步，工作面的采煤效率已得到顯著提升，從而對(duì)工作面安全生產(chǎn)的保障措施和要求提出了更高的要求。工作面瓦斯的涌出、突出以及災(zāi)害等事故不同于火災(zāi)、透水以及頂板冒落等事故，而且因瓦斯所造成的事故與煤礦工作面地質(zhì)因素、開采工藝以及人為因素有關(guān)[1]，因此，為了預(yù)防由于瓦斯治理不合格所導(dǎo)致的礦井事故，可通過提升預(yù)測(cè)工作面的瓦斯涌出量，為瓦斯的治理提供依據(jù)。

1 工程概況

本文以宏遠(yuǎn)煤礦3#煤層為研究對(duì)象，目前3#煤層探明的可供開采的煤炭儲(chǔ)量為34 Mt，基于綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，煤礦所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為1.2 Mt。西部下組煤回風(fēng)巷道斷層、褶曲發(fā)育情況及分布如下：

褶曲：工作面中東部整體為一單斜構(gòu)造，東高西低，局部地段發(fā)育有小型背向斜構(gòu)造，煤巖層傾角3°～7°，工作面西部整體呈一盆狀構(gòu)造，煤巖層傾角3°～10°，相對(duì)低點(diǎn)位于工作面巷道開口前3 373 m處。

斷層：據(jù)周邊8#煤巷資料及上覆2#煤巷揭露資料推測(cè)，該巷掘進(jìn)中開口前218 m遇正斷層F8624(H=1.5 m)，對(duì)掘進(jìn)有一定影響，預(yù)計(jì)掘進(jìn)中還將有斷層出現(xiàn)。斷層特征表如表1所示。

表1 斷層特征表

陷落柱：因8#煤層陷落柱較發(fā)育，該巷在掘進(jìn)中可能會(huì)揭露中小型陷落柱。

節(jié)理：據(jù)周邊8#煤資料分析，該面局部地段頂板節(jié)理比較發(fā)育，陷落柱、斷層附近構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，對(duì)掘進(jìn)有一定影響。

工作面無火成巖侵入及煤層分叉現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)3#煤層瓦斯量的測(cè)定，該煤層總瓦斯含量為11.67 m3/t～13.47 m3/t，經(jīng)換算后每開采一噸煤涌出的瓦斯量為10.43 m3/t～12.12 m3/t,而原煤殘存的瓦斯總量為3.21 m3/t～3.65 m3/t。

2 工作面瓦斯涌出量的影響因素及其預(yù)測(cè)方法分析

2.1 工作面瓦斯涌出量的影響因素分析

所謂瓦斯涌出量指的是，在煤礦開采過程中從煤層和巖層中涌出的瓦斯量。在實(shí)際生產(chǎn)中，常通過絕對(duì)瓦斯量或相對(duì)瓦斯量對(duì)瓦斯的涌出量進(jìn)行衡量[2]。其中，絕對(duì)瓦斯量為在開采過程中煤層或者巖層每分鐘涌出的瓦斯量；相對(duì)瓦斯量為在開采過程中煤層或巖層所涌出的瓦斯量與工作面煤炭產(chǎn)量的比值。二者的關(guān)系如式(1)所示：

qCH4=QCH4/A

(1)

式中，qCH4為相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；A為工作面的日生產(chǎn)量，t/d；QCH4為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/d。

瓦斯以兩種形式存在于煤層或者巖層中，為游離瓦斯和吸附瓦斯。在實(shí)際開采過程中，吸附于煤層或者巖層的瓦斯變?yōu)橛坞x狀態(tài)涌出。一般的，影響工作面瓦斯涌出量的因素包括有自然因素和開采技術(shù)因素。其中，自然因素主要包括有大氣壓力、溫度以及工作面煤層的瓦斯參數(shù)；開采技術(shù)主要包括煤層的開采規(guī)模和所采用的生產(chǎn)工藝。

2.2 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法分析

傳統(tǒng)應(yīng)用于瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法包括有統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法(簡易統(tǒng)計(jì)法、線性回歸法)和分源預(yù)測(cè)法(需掌握煤層的瓦斯風(fēng)化帶深度，煤層底層的剖面圖和柱狀圖，煤層的采取布置圖、開采順序以及所采用的采煤工藝和通風(fēng)方式[3]。)

3 3#煤層工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)

工作面瓦斯的涌出量包含有回采工作面瓦斯涌出量、掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出量以及采區(qū)的瓦斯涌出量。

3.1 回采工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)

3#煤層所采用的開采方式為綜采放頂采煤工藝，其對(duì)應(yīng)的頂板管理方法為全部垮落法。因此，回采工作面所涌出的瓦斯主要來源于圍巖層和鄰近煤層內(nèi)[4]。

其中，由于工作面采用綜采放頂采煤工藝，根據(jù)對(duì)應(yīng)的開采層圍巖瓦斯涌出量的計(jì)算公式得出：3#煤層開采圍巖層所涌出的瓦斯量為11.03 m3/t；鄰近層工作面的瓦斯涌出量為2.12 m3/t。則，回采工作面總的瓦斯相對(duì)涌出量為13.15 m3/t，瓦斯絕對(duì)涌出量為31.51 m3/min。

3.2 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)

3#煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量包括在掘進(jìn)過程中煤壁的瓦斯涌出量和落煤瓦斯的涌出量。煤壁瓦斯的涌出由于瓦斯的壓力發(fā)生變化使瓦斯更容易從煤壁暴露至空氣中。3#煤層工作面采用綜合放頂采煤工藝，對(duì)應(yīng)煤壁涌出的瓦斯量為3.14 m3/min，伴隨著落煤所涌出的瓦斯量為1.10 m3/min。則掘進(jìn)工作面所涌出瓦斯總量為6.13 m3/min。

3.3 采區(qū)瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)[見式(2)]

q=k(qcA+1 440qj)/A0

(2)

式中，k為采空區(qū)瓦斯的涌出系數(shù)，取k=1.25；qc為回采工作面瓦斯的相對(duì)涌出量，qc=13.15 m3/t；A為回采工作面的平均日常量，A=3 451 t；qj為掘進(jìn)工作面瓦斯的絕對(duì)涌出量，qj=6.13 m3/min；A0為采區(qū)的平均日產(chǎn)量，A0=3 636 t。

根據(jù)上述計(jì)算公式，得出3#煤層采區(qū)瓦斯的相對(duì)涌出量為15.6 m3/min，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)瓦斯涌出量為39.39 m3/min。

4 工作面瓦斯的防治

根據(jù)煤礦工作面所選采煤工藝、機(jī)械設(shè)備的布置以及瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)結(jié)果，3#煤層從用抽采方法實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作面瓦斯的防治[5]。瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)時(shí)需遵循以下原則：

1) 根據(jù)回采工作面、掘進(jìn)工作面以及采區(qū)瓦斯涌出量所占比例的不同，將各種方法結(jié)合使用，從而達(dá)到增大瓦斯抽采率的目的；

2) 盡可能地減少井巷的工程量和作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；

3) 確保所建設(shè)工程布置的合理性，便于后期的維護(hù)和修理。

3#煤層工作面在回采工作面、掘進(jìn)工作面以及采區(qū)均出現(xiàn)不同量的瓦斯涌出，故需對(duì)上述三個(gè)工作面進(jìn)行瓦斯的防治。

4.1 采區(qū)瓦斯的抽采

采區(qū)所涌出的瓦斯采用斜向鉆孔的方式進(jìn)行抽采。其中，工作面在開采前對(duì)瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，在開采期間采用卸壓抽采的方式。采區(qū)抽采方式交叉鉆孔的參數(shù)如表2所示。

表2 采區(qū)工作面交叉鉆孔參數(shù)

4.2 掘進(jìn)工作面瓦斯的抽采

掘進(jìn)工作面采用邊掘邊抽的瓦斯抽采方式，該抽采方式具有抽采效果好且抽采不影響工作面掘進(jìn)?；谶吘蜻M(jìn)邊抽采的方式，其對(duì)應(yīng)的鉆孔的參數(shù)如表3所示。

表3 掘進(jìn)工作面交叉鉆孔參數(shù)

4.3 鄰近層、采空區(qū)工作面瓦斯的抽采

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知，采空區(qū)瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量的46%。結(jié)合3#煤層特點(diǎn)及開采條件，采空區(qū)采用高位鉆孔抽采方式對(duì)瓦斯進(jìn)行抽放。

鉆場(chǎng)布置：沿回風(fēng)順槽布置鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)的間距為50 m，鉆場(chǎng)的長度為4 m，寬度為3 m，鉆場(chǎng)的高度與巷道的高度一致。每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置8個(gè)鉆孔，且鉆孔按照扇形進(jìn)行布置。

5 結(jié)語

綜采工作面涌出的瓦斯威脅著工作面的安全生產(chǎn)。為確保綜采工作面的安全生產(chǎn)，在保證綜采設(shè)備可靠性、通風(fēng)系統(tǒng)效能以及支護(hù)效果因素外，還需確保工作面的瓦斯?jié)舛葷M足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求。針對(duì)我礦3#煤層，采用抽采工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)涌出瓦斯的治理。