王偉林

(1.潞安化工集團有限公司 科技研發(fā)中心，山西 長治 046204；2.潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司，山西 長治 046204)

長榆河礦位于壽陽縣解愁鄉(xiāng)長榆河、窯龍溝、北窯溝、方山、計馬溝村之間，井田形態(tài)為一近東西向的刀把形，東西長5 000 m，南北寬550～2 150 m，批采深度為1 349.96～999.96 m標高。井田面積6.562 4 km2。生產規(guī)模90萬t/a，采用綜采一次采全高采煤法采煤。

1 長榆河礦瓦斯涌出量預測計算

長榆河礦瓦斯來源少，建井投產期短，因此采用分源預測法計算預測瓦斯涌出量，具體計算步驟如下：

1) 回采工作面瓦斯涌出量預測。礦井回采工作面瓦斯來源包括開采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩部分。

q采=q1+q2

(1)

其中回采工作面開采層瓦斯涌出量q1按下式計算：

(2)

式中 ：q采為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。k1為圍巖瓦斯涌出系數，取值1.30；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，取值1.05；k3為采區(qū)內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數，采用長壁后退式回采時，k3按下式確定。

(3)

式中：L為工作面長度，設計工作面長度150 m；h為巷道瓦斯預排等值寬度，15號煤層為貧煤，則取h=14.2 m；k3為0.81。

m為開采層厚度，15上平均2.45 m；15下平均2.66 m；M為工作面采高，15號采用長壁綜采一次采全高采煤法；Wc為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，15上為1.22 m3/t；15下為1.75 m3/t。

經計算：

15上號煤層q1= 1.3×1.05×0.81×(2.75-1.22) =1.69 m3/t；

15下號煤層q1= 1.3×1.05×0.81×(3.08-1.75) =1.47 m3/t。

長榆河礦回采工作面具體瓦斯涌出量預測計算結果如表1所示。

表1 回采工作面瓦斯涌出量預測結果

2) 掘進工作面瓦斯涌出量預測。本礦井掘進工作面的瓦斯涌出量分兩部分，一部分來源于掘進時煤壁瓦斯涌出，另一部分來源于落煤瓦斯涌出，具體計算結果如下，預測結果見表2。

q掘=q3+q4

(4)

(5)

表2 掘進工作面瓦斯涌出量預測結果 m3/min

式中：q3為掘進巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D為巷道斷面內暴露煤壁面的周邊長度；對于薄及中厚煤層，D=2m0，m0為煤層厚度，m，15上=2.45 m、15下=2.66 m；v為巷道平均掘進速度，m/min(按300 m/min計算)；L為掘進巷道長度，取650 m；q0為煤壁瓦斯涌出強度，m3/min·m2，按下式計算：

q0=0.026[0.000 4(Vdaf)2+0.16]X0

(6)

式中：Vdaf為煤中揮發(fā)份含量；X0為煤層原始瓦斯含量，15上為2.75 m3/t，15下為3.08 m3/t。

q4=S·v·γ·(W0-Wc)

(7)

式中：q4為掘巷落煤瓦斯涌出量，m3/min；S為掘巷斷面積，運輸巷道取值12.88 m2，回風巷道取均值11.2 m2；v為巷道平均掘進速度，m/min，取0.006 94 m/min(按300 m/min計算)；γ為煤的密度，為1.35 t/m3。

3) 預測生產采區(qū)瓦斯涌出量如下式所示：

(8)

式中：Q區(qū)為生產采區(qū)相對瓦斯涌出量，m3/t；K＇ 為生產采區(qū)內采空區(qū)瓦斯涌出系數，1.25～1.45，取1.30；q采i為第i個回采區(qū)工作面的相對瓦斯涌出量，m3/t ；15上為6.64 m3/t、15下為4.44 m3/t；q掘i為第i個掘進工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min，15上為1.86 m3/min、15下為1.77 m3/t ；Ai為第i個回采工作面平均日產量，A1=2 590 t；A0為生產采區(qū)平均日產量，A0=2 727 t，預測結果見表3。

表3 生產采區(qū)瓦斯涌出量預測結果

4) 礦井瓦斯涌出總量。礦井瓦斯涌出量為礦井內所有生產采區(qū)和已采采區(qū)瓦斯涌出量之和，還包括其他輔助巷道的瓦斯涌出量，其計算公式為：

(9)

開采15上、15下煤層時，礦井瓦斯涌出預測結果見表4。

表4 礦井瓦斯涌出量預測結果

根據礦井瓦斯等級劃分標準，該礦井屬于低瓦斯礦井。但煤與瓦斯突出危險性與煤層所處的地質構造、煤層厚度、煤層傾角和煤層埋深等密切相關。由于應力場的復雜性以及在地應力的作用下，使得同一地質構造線內不同程度的應力集中，導致了瓦斯的運移和相對富集，形成了天然氣相對高壓和低壓區(qū)，及各種有利于瓦斯富集和逸散的條件。

對在同一礦區(qū)、同一礦井內同一煤層來說，煤層突出危險性隨開采深度的增加而增大，在開采淺部煤層時為低瓦斯或高瓦斯礦井，當開采到深部煤層后，煤層賦存條件改變致使煤層瓦斯壓力增大，從而導致礦井成為突出礦井。

長榆河煤礦隨著開采過程的延續(xù)，開采深度逐漸向深部延伸。由于開采煤層的埋藏深度越來越大，導致煤層的上覆巖層厚度也越來越大，上覆巖層的高壓致使煤層圍巖的瓦斯封存條件越來越好，煤層瓦斯壓力隨著開采深度的增加會越來越大。所以隨著開采深度的延伸，煤層瓦斯相關問題應引起重視。

2 礦井瓦斯治理

2.1 工作面瓦斯運移規(guī)律

長榆河礦采用綜采一次采全高采煤法，工作面瓦斯涌出主要分成兩部分，一部分來自采空區(qū)瓦斯涌出，另一部分來自開采煤層瓦斯涌出。受采動影響，煤和巖體的壓力平衡狀態(tài)遭到破壞，導致煤層和圍巖在各個方向上產生大量的裂隙，這些裂隙與回采完畢的相鄰工作面采空區(qū)連通，在持續(xù)壓力作用下，局部應力集中，裂隙發(fā)育形成了連通采空區(qū)的通道，煤層瓦斯通過通道向采空區(qū)排放，使采空區(qū)瓦斯?jié)舛戎饾u升高，進而受濃度梯度影響不斷向工作面涌入，導致回采工作面和回風隅角瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

2.2 綜采工作面瓦斯治理相應措施

根據上述可能出現的礦井瓦斯問題，對其做出相應治理措施[1]，具體如下：

1) 對綜采工作面，要重視流通風的調整工作，在一定限度允許范圍內增加流通風數量。同時，要重視礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)督控制環(huán)節(jié)，定期對綜采工作面實際風量進行持續(xù)測量，以保證綜采工作面通風環(huán)境的安全性和通風量的穩(wěn)定性，為瓦斯整治管理打好基礎。

2) 對綜采工作面風隅角部選擇性使用抽排風機，發(fā)揮回風和排風功能，實現回風和排風的高效循環(huán)。要根據綜采工作面實際工作要求，選擇合理的排風機安裝位置，從而有效實現瓦斯治理工作方案的實施。其中，抽排風機的合理安置可以有效地輔助完成綜采工作面內部來壓。對于實際的瓦斯?jié)舛葴y量，要合理增加瓦斯傳感器，從而實現相應的自動化控制。對風筒內瓦斯?jié)舛冗M行實時測量，從而合理安排抽排風機完成相應的瓦斯抽排工作。

3) 要完成礦井開采過程中低瓦斯工作環(huán)境的設置，必須時刻注意瓦斯治理工作的落實。除人員安排外，要采用輪班制完成瓦斯?jié)舛葯z測工作，科學合理地規(guī)劃瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測形式，按統(tǒng)一選擇最大值的方法對瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測并完成統(tǒng)計，以便更好地進行對礦井風量的調整和上報。另外要在煤礦日常工作中增加瓦斯檢查頻率，縮短檢查的時間間隔，以加強檢查的力度。

4) 根據綜采工作面風隅角集氣的具體情況，對礦井內部瓦斯治理提出具體的方案措施。這些回風角的瓦斯排放部位需設置一定的設施，以完成防治。同時要注意對漏風情況進行實時監(jiān)測，防止瓦斯逸散涌出。

5) 在工作面設置瓦斯抽放鉆孔，對煤層內部瓦斯進行抽放[2]。在現場對巷道頂板打孔時，根據排水孔測得負壓、流量、濃度等參數，對鉆孔施工參數進行調整，以保證鉆孔最終孔位精準定位在裂隙帶。由于大部分鉆孔貫穿裂隙帶，使有效鉆孔的抽放時間有效延長，增加瓦斯抽放量并且提高瓦斯抽放效率。工作面巷道內部需要設置輔助頂板鉆孔，鉆孔位置要圍繞回風隅角進行施工，鉆孔之間間隔20～25 m。為了保證有效抽放回風隅角積聚的瓦斯，要根據鉆孔抽放參數測定來調試施工參數。當采動影響導致工作面地質條件發(fā)生變化時，要根據現場施工情況調整施工參數，另外可通過合理增加鉆孔數量，增大鉆孔布置密度來保證抽放效果。

3 瓦斯治理效果分析

在工作面回采過程中，可通過簡化通風系統(tǒng)、減少巷道漏風來增加工作面配風量。通過清理巷道雜物，減小局部風阻，降低通風阻力。

在瓦斯抽放管道負壓作用下，瓦斯將沿裂隙、頂板走向、輔助頂板，并向開切眼傾斜，從埋于煤層鉆孔中預設的瓦斯抽放管道進入瓦斯抽放系統(tǒng)，排進主回風巷稀釋。根據工作面實際情況，對瓦斯抽放鉆孔的數量密度和留設位置進行合理布置，提高抽放孔內抽放參數的監(jiān)測頻率，關閉大流量低濃度的抽放鉆孔，增加采空區(qū)瓦斯抽放量。隨著回采工作面的推進，采空區(qū)面積逐漸變大，瓦斯逐漸被稀釋，瓦斯抽放管道中瓦斯的濃度將逐漸降低。

通過上述一系列瓦斯治理措施的實施，理論上可顯著提高工作面瓦斯抽放效果，增強了礦井工作面氣體環(huán)境的安全性，使工作面瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在較低水平。采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂疲仫L隅角瓦斯積聚情況改善，保證了工作面高產、高效、安全生產。