晉華宮礦極近距離煤層開采瓦斯防治技術研究

孟志斌

（大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西省大同市，037016）

晉華宮礦極近距離煤層開采瓦斯防治技術研究

孟志斌

（大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西省大同市，037016）

針對大同煤礦集團公司晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃煤層、12－2＃煤層等極近距離且上覆高濃度瓦斯采空區嚴重影響綜采煤層安全生產的難題，運用瓦斯防治技術與理論分析、現場試驗和系統優化等方法，分析得出了極近距離上下煤層同時生產時極易發生因采動壓力場垂直方向冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶以及水平方向煤壁影響支撐區、離層區和重新壓實區等切割產生大量裂隙連通采空區泄出瓦斯等特點，提出了瓦斯治理思路和“下擠上拉、上下協同”原則、方法以及一系列相應瓦斯防治措施與對策。實踐表明，在8114－1和8114－2工作面采取上述措施后，上隅角瓦斯濃度由治理前的3%～5%降到0.4%～0.5%，有效解決了晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃煤層和12－2＃煤層極近距離煤層工作面開采過程中瓦斯濃度超限問題。

瓦斯防治 極近距離煤層 晉華宮礦

1 引言

大同煤礦集團公司晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃煤層和12－2＃煤層為極近距離煤層，每一煤層厚平均為1.8～2m，層間距僅2.5～4m。按實際生產需要，上下兩煤層需同時開采，如此可能會因瓦斯大量涌出致使瓦斯濃度急劇增大而無法安全生產，特別是對上層即12－1＃煤層8114－1工作面和其下12－2＃煤層8114－2工作面影響最為嚴重。由于8114－1工作面呈內錯布置于8114－2工作面上部，開采時前后錯距只有200～250m，上層8114－1工作面向前推進后，工作面上隅角瓦斯濃度呈先增大而后隨大氣溫度降低而降低的趨勢，其上隅角瓦斯濃度有時會異常增大。當下層8114－2工作面推采進入上層8114－1工作面采空區頂板首次垮落后，上隅角瓦斯濃度迅速增加，此時工作面因瓦斯濃度嚴重超標而被迫停產。因此，相鄰特別是極近距離煤層同時開采時，必須對其瓦斯特點與規律及其瓦斯事故預防與治理措施進行研究，以期最大限度地降低上下煤層之間瓦斯互相干擾和對煤層正常開采的影響，從而確保能在如此復雜條件下能夠安全和順利生產。

2 極近距離煤層瓦斯來源與涌出規律分析

根據目前瓦斯涌出規律分析理論，結合晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃煤層和12－2＃煤層開采的具體情況，對上下層的8114工作面瓦斯來源及其特點進行分析。

圖1 極近距離煤層空間展布及綜合柱狀圖關系

2.1 12－1＃煤層與12－2＃煤層極近距離煤層空間展布關系分析

12－1＃煤層與12－2＃煤層極近距離煤層及其同上下相鄰地層的空間展布關系如圖1所示。12－1＃煤層上部為鄰近采空區的10＃煤層，下部為厚度1.5m的細砂巖、厚度1.0m的粗砂巖和厚度0.5 m的粉砂巖，之后為12－2＃煤層，之后間隔一層厚度10.2m的粉細砂巖為14－2＃煤層。由此可以看出，12－1＃與12－2＃煤層相隔距離僅有3.0m，如果同期開采，則對瓦斯防治技術要求非常高，尤其是如何防止12－1＃煤層上部采空區積聚的大量瓦斯影響綜采工作將是一大難題。

2.2 極近距離煤層瓦斯來源分析

根據地下工程理論并充分結合長期觀測和已有經驗與實踐可知，當開采煤層隨工作面推進時，會在工作面周圍形成一個采動壓力場，見圖2。其影響范圍分別在垂直方向上形成3個帶并在水平方向上形成3個區。其中3個帶為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；3個區為煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。由此會在采動壓力場中產生大量裂隙空間，從而連通成為瓦斯流動通道。根據開采技術及實際經驗，冒落帶高度一般為采高的4～8倍。由此可知，晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃層和12－2＃煤層開采時，其瓦斯連通通道具有由下而上多層的立體關系。首先，當開采12－2＃煤層的工作面時裂隙空間將會與層間距只有2.5～4m的12－1＃煤層塌通；其次，開采12－1＃煤層時，會與積聚了大量瓦斯且層間距平均僅為23m的上覆10＃煤層301盤區采空區連通；最后，按地表裂縫調查分析，10＃煤層301盤區采空區與地表裂縫可能存在連通關系。

圖2 采動壓力場結構關系

綜上所述，當開采12－1＃煤層和12－2＃煤層時，因層距較為短小，其主要瓦斯來源有以下3個方面：一是正常生產中涌出的瓦斯；二是同時開采形成大量裂隙并形成眾多瓦斯通道；三是連通高濃度瓦斯的采空區。上述方面均會引起瓦斯濃度急劇增加，成為重大安全隱患甚至必須停產。

2.3 極近距離煤層瓦斯涌出特點與規律

對于瓦斯的考察，在此主要以最容易積聚瓦斯的工作面上隅角進行分析。因地面與采空區存在連通關系，瓦斯變化趨勢與溫度變化相關，圖3和圖4為瓦斯與全天氣溫變化關聯規律。

由圖3和圖4可知，其溫度與瓦斯濃度變化關聯規律為：

（1）溫度變化規律。大約7∶00以后溫度開始升高，15∶00左右到達最高溫度，隨后下降；最低溫度為12℃，最高溫度為18℃，溫差約為6℃。

（2）瓦斯壓力與濃度變化規律。隨地面溫度開始升高，瓦斯氣體溫度升高使氣體體積膨脹，導致瓦斯壓力增大；16點以后，壓力降低表現為涌出量減少。12－1＃煤層8114－1工作面瓦斯濃度先增大后減小且期間工作面上隅角瓦斯濃度可異常增大3～4%，當下層即12－2＃煤層8114－2工作面進入上層8114－1工作面采空區，經頂板首次垮落后，上隅角瓦斯濃度迅速增加了8%。

（3）滯后效應。在整個量測結果中，有兩個較為明顯的滯后效應。首先，在9∶00以前，溫度逐漸升高而瓦斯壓力與濃度基本不變；其次，地面溫度一般在15∶00到達最高，但瓦斯濃度與壓力卻在16∶00升達最大值，故瓦斯壓力與濃度相對于天氣溫度變化約滯后1～2h。

3 極近距離煤層瓦斯防治措施與對策

3.1 瓦斯防治思路與原則

對于極近距離煤層，瓦斯防治目標主要是防止鄰近煤層開采瓦斯涌入本煤層而造成多煤層瓦斯相互干擾而影響生產。

為此，提出“下擠上拉、上下協同”的方法對12＃煤層開采時外部瓦斯流入加以防治和控制。具體來說，“下擠”是指在確保10＃煤層的下層即12－1＃煤層8114－1工作面正常通風的前提下合理減小風量和適當降低風壓或增加風阻，形成下層風流對上覆10＃煤層采空區瓦斯擠壓作用，從而減小其向本層的流動能力，以抑制采空區瓦斯向12－1＃煤層8114－1工作面方向泄出。“上拉”是指在上覆10＃煤層采空區加強抽排風，確保煤層瓦斯能夠比較順利排出，以緩解瓦斯分壓對12－1＃煤層的滲泄作用。“上下協同”是指“上拉”與“下擠”同時進行，以期達到抑制上覆10＃煤層采空區瓦斯向12－1＃煤層8114－1工作面的泄出。

3.2 “下擠上拉”試驗及其結果分析

依據“下擠上拉、上下協同”的方法，從理論上看基本可行，為使“下擠上拉”過程中達到下層通風量足夠的同時實現“下擠”，進行了若干現場試驗，以期合理確定各煤層生產通風參數。

按前述方法，于2006年10月17日13∶00～16∶00進行了現場試驗，分別對12＃煤層正常通風和減弱通風進行試驗，以此得出不同通風條件下上覆采空區高濃度瓦斯向下層泄出的能力和流量大小，從而確定此煤層最為合理的通風參數。首先，當8114－1工作面正常風量為1287m3／min時，上隅角瓦斯濃度為4.5%，流入回風巷后濃度為1.46%。此時，10＃煤層采空區密閉墻內外壓差為539Pa，為考察采空區瓦斯向下層的泄出能力，16∶08打開采空區泄壓管道，其管道中的出風量達到38m3／min，且CH4濃度高達10%以上。然后，16∶19在12＃煤層8114－1工作面采取減風增阻措施，風量由1287m3／min降至770m3／min，CH4下泄濃度迅速下降至0.12%～0.2%，進入12＃煤層的瓦斯大幅度減少。

3.3 瓦斯治理對策及優化

3.3.1 確定合理通風風量

首先，調整開采煤層工作面風量至合適值。依據現場調配組合試驗可得，當12＃煤層8114－1工作面風量為550～600m3／min、8114－2工作面風量為850～900m3／min時，通風最為合理，既能滿足本煤層開采的需要，又能防止極近距離其他煤層特別是附近采空區高濃度瓦斯流入。

3.3.2 調整通風壓力

根據所有相鄰工作面不同情況，采取盤區總回風增壓、工作面增壓以及上覆采空區卸壓調整措施，確保工作面壓力保持在一個合理水平，并隨工作面的推進及時進行壓力調整。

3.3.3 確定合理風障和抽排風機

由于上隅角瓦斯濃度一般較大，故須盡量保證此處的通風量以最大限度降低瓦斯濃度。為此，可革新工作面上隅角處風障吊掛方法。具體為采用可伸縮風帳懸掛裝置，并在工作面機道同時設置3道風帳，以有效解決上隅角處風流不易到達的問題。同時，使用大功率對旋抽出式風機配合高強度抽出式風筒，并將風筒直接接入盤區回風巷，將上隅角瓦斯直接排入盤區回風巷，既能消除工作面上隅角瓦斯濃度超限情況，又可確保回風巷瓦斯不超限，同時避免將高濃度瓦斯直接排入回風巷而引發瓦斯事故。

3.3.4 封填地表裂縫

如果地表裂縫與煤層綜采工作面巷道連通，則會因裂隙漏風影響通風效能，同時減小“上拉”效果，從而減弱抑制采空區瓦斯的向下流動，故應對地表區域存在的裂縫進行充填和覆土處理。

3.3.5 充分發揮抽放系統作用

根據8114－1和8114－2工作面重疊布置的實際情況，設瓦斯抽放系統，即在與8114－2工作面鄰近的8116－6工作面向上層8114－1工作面采空區打鉆，以抽取上覆8114－1工作面采空區瓦斯。

4 效果分析

通過采取上述一系列措施后，使得上述兩工作面上隅角瓦斯濃度由治理前的3%～5%降到0.4%～0.5%，有效地解決晉華宮礦大井河南301盤區12－1＃煤層和12－2＃煤層極近距離煤層工作面開采過程中瓦斯濃度超限問題，在整個生產工程中累計抽出瓦斯98萬m3，安全開采煤炭100萬t，創產值3000萬元，取得了巨大的安全和經濟效益。

5 結論

（1）從研究和分析結果可知，瓦斯壓力與濃度變化趨勢與溫度變化趨勢大致相同，隨地面溫度升高而升高，隨地面溫度降低而降低。當在極近距離煤層進行開采時，工作面上隅角瓦斯濃度可異常增大3%～4%，瓦斯壓力與濃度相對于天氣溫度變化滯后1～2h。

（2）結合現場實際提出的“下擠上拉、上下協同”的方法以及一系列瓦斯防治措施可以將復雜條件下瓦斯濃度降至安全范圍，能夠滿足極近距離多煤層同時生產的安全需要。

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The technique of gas control in mining of extremely short－distance coal seams in Jinhuagong Coal Mine

Meng Zhibin

（Jinhuagong Coal Mine，Datong Coal Mine Group Company，Datong，Shanxi 037016，China）

Aiming at the problems that there are No.12－1，12－2and other extremely shortdistance coal seams in No.301panel in southern riverbed of great well of Jinhuagong Coal Mine of Datong Coal Mine Group Company and they are overlain by the gob areas with high－concentration gas which will greatly affect the integrated coal mining safety，by using gas control techniques，theoretical analysis，field testing，system optimizing and other methods，the paper has grasped the features that in the working process of upper and lower extremely short－distance coal seams，due to the pressure fields there always bring caving zones，fractured zones，curved sinking zones in vertical direction and coal wall impacting support areas，separation areas and re－compacted areas in horizontal direction and these cuttings produce any amount of fissures connecting to the gob as will cause gas leakage.For the above conditions，the paper proposes the idea for gas control and principle of"squeezing the lower and pulling the upper in sync"and a range of appropriate gas control measures.The result shows that after taking such measures in No.8114－1and 8114－2working faces，gas concentration in the upper corner decreases from 3%～5%to 0.4%～0.5%，and it has effectively solved the problem of gas overrun in No.12－1，12－2and other extremely short－distance coal seams in No.301panel in southern riverbed of great well of Jinhuagong Coal Mine of Datong Coal Mine Group Company.

gas control，extremely short－distance coal seam，Jinhuagong coal mine

TD712.2

A

孟志斌（1973－），男，太原理工大學在讀工程碩士，注冊安全工程師，現任大同煤礦集團公司晉華宮礦通風副總工程師，研究方向為礦井瓦斯防治和通風管理。

（責任編輯 梁子榮）