塔山煤礦特厚煤層瓦斯立體抽采技術研究

李志偉 ，王 飛

（1.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024；2.同煤集團 塔山煤礦，山西 大同 37001）

塔山煤礦井田內賦存侏羅系和石炭二疊系兩套含煤地質構造。侏羅系大同組為上部含煤地質巖層，經多年開采，煤層所剩儲量不多。二疊系下統山西組和石炭系上統太原組為下部含煤地質巖層，可采煤層5層（自上而下分別是4號、2號、3號、5號、8號層）。地層總厚86.2～177.20 m，平均157.93 m，共含煤15層，煤層總厚38.25 m，含煤系數24%。塔山煤礦屬煤層群開采，主采煤層為3號～5號合并層，首采面投產后，瓦斯問題逐步凸顯，嚴重影響安全生產。隨著回采的深入和產量的提高，絕對瓦斯涌出量逐年增加，2008年以來的鑒定批復均為高瓦斯礦井。2011年的鑒定顯示：絕對瓦斯涌出量達78.6 m3/min。并有綜放工作面瓦斯異常涌出區域，工作面絕對瓦斯涌出量可達40～50 m3/min之間、甚至更高，掘進工作面瓦斯異常涌出區域可達10 m3/min左右。3號～5號合成煤層屬自燃煤層，最短發火期60 d。為進一步摸清異常瓦斯涌出局部區域的原始瓦斯含量、瓦斯分布狀況、瓦斯涌出規律、瓦斯抽采卸壓區域浮煤的自然發火危險性狀況，必須對異常瓦斯涌出區域的煤層瓦斯基本參數、瓦斯涌出狀況進行測定必須探明并了解煤層的瓦斯來源、瓦斯賦存、瓦斯涌出規律，同時研究瓦斯抽采過程中卸壓區域浮煤的防滅火技術，以便制定切實可行的瓦斯防治措施提供依據。

1 瓦斯抽采過程中的防滅火技術

加強瓦斯抽采條件下采空區自燃“三帶”及瓦斯“三帶”的考察分析。

1）在綜放面立體抽采條件下，建立采空區“自燃氧化帶”觀測系統，通過實測數據回歸分析，研究“自燃氧化帶”及瓦斯濃度“三帶”的分布規律，確定采空區自燃“三帶”及瓦斯“三帶”，為防止采空區自然發火、提高瓦斯抽采效率提供依據。

2）建立數學模型，數值模擬采空區內漏風流場的速度分布、CH4、O2等濃度分布，為合理確定工作面的通風方式，優化通風參數，確定最佳供風量和最佳回采速度提供參考。

3）通過實測高抽巷、瓦斯尾巷、采空區氣樣成分分析；根據 O2、N2、CH4以及 CO、C2H4等氣體的質量守恒，推導三個地點氣體相互流動的關系，確定煤層瓦斯安全抽采條件下的自然發火標志性氣體，并確定煤層瓦斯抽采參數的合理范圍。

4）目前已經建立瓦斯與煤自燃耦合實驗臺，見圖1，研究不同瓦斯濃度的漏風流對松散煤體自燃氧化規律及其特性影響規律；根據實驗結果的理論分析，研究瓦斯抽采時，抑制采空區遺煤氧化自燃的工作面通風參數及瓦斯抽采參數；提出既有利于瓦斯抽采、又能有效預防遺煤自燃的參數和措施。

5）依據綜合瓦斯治理和自燃火災防治的經驗，找出兩者相同的措施進行實施，對兩者互相沖突的影響因子進行優化，達到最佳效果，并結合煤礦現有技術基礎條件，提出完善的適合于現場的煤層瓦斯抽采與自燃火災耦合防治技術體系。

圖1 瓦斯與煤自燃耦合實驗臺

2 塔山煤礦石炭二疊系特厚煤層的瓦斯立體抽采技術

塔山煤礦的最大特點為煤層群開采。按照《瓦斯抽采暫行規定》第七條規定：“采煤工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min的；或者掘進工作面絕對瓦斯涌出量大于3 m3/min的；礦井絕對瓦斯涌出量大于或等于40 m3/min的?！北仨氝M行瓦斯抽采。

結合塔山煤礦的具體實情確定塔山煤礦的瓦斯立體抽采技術體系包括：①本煤層的卸壓瓦斯抽采。②采空區埋管抽采上隅角積聚瓦斯。③鄰近層卸壓瓦斯抽采。

2.1 本煤層的卸壓瓦斯抽采——高位水平走向鉆孔抽放

利用回采工作面前方卸壓區域瓦斯大量解吸釋放的特點，在回風巷內每隔50 m并向垂直回風巷開掘一條短斜巷和一段平巷作為鉆場（長3 m，寬3.8 m，高3 m），鉆場間距40～50 m左右。在各鉆場內迎著工作面推進方向打雙排扇形鉆孔，每個鉆場內打6個扇形鉆孔，鉆孔開孔高度距巷道底板為1.6 m和2.1 m，鉆孔開孔點水平間距0.6 m，鉆孔終孔間距為5 m，鉆孔終孔距回風巷的水平距離8～32 m，距煤層頂板的垂直距離20 m。鉆孔長度60～80 m，鉆場間保持20 m以上的超前距，鉆孔直徑94 mm，見圖2和圖3。抽采本煤層的卸壓瓦斯，以減少工作面回采過程中的瓦斯涌出量。

圖2 高位水平走向鉆孔抽放采空區瓦斯方法平面示意圖

圖3 高位水平走向鉆孔抽放采空區瓦斯方法剖面示意圖

2.2 采空區埋管大流量抽放瓦斯系統抽放上隅角積聚瓦斯

隨著工作面的推進，采空區冒落空間逐步增大，工作面瓦斯涌出量隨之增加，上隅角和支架后運輸機道瓦斯濃度增加較快，放煤時瓦斯濃度超過1%。為減輕工作面通風負擔，利用大流量抽放瓦斯泵對上隅角瓦斯進行抽放，以減低采空區瓦斯涌出量、防止上隅角和支架后運輸機道瓦斯濃度超限。具體方法是：在回風巷內敷設大直徑抽放瓦斯管道，在距工作面30 m處改成600 mm鋼絲骨架風筒（伸縮風筒），在上隅角切頂線處構筑粉煤灰封堵墻，在墻上方預埋500 mmPE管，再將600 mm鋼絲骨架風筒與墻上方預埋500 mmPE管連接，隨著工作面的推進，粉煤灰封堵墻和鋼絲骨架風筒被埋入采空區內，對采空區瓦斯進行抽放，截斷采空區瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯超限。當粉煤灰封堵墻進入采空區10 m深位置時，重新再筑一道粉煤灰封堵墻，重復進行，見圖4。

圖4 上隅角插管抽放瓦斯示意圖

2.3 鄰近層卸壓瓦斯抽采

隨著工作面的推進，受采動影響，引起采空區頂板巖石的冒落，造成頂板緩慢下沉，采場圍巖松動，產生卸壓作用，形成冒落帶、破裂帶、彎曲下沉帶，見圖5。上覆巖層的采動裂隙逐漸發育，導致煤巖體中孔裂隙增加，形成層間空隙；這種層間空隙不僅是卸壓瓦斯的儲存地點，也是良好的流動通道。為了防止和減少鄰近層的卸壓瓦斯大量涌向開采層，必須開展鄰近層卸壓瓦斯抽采。

圖5 按瓦斯卸壓抽采劃分的“三帶”

塔山煤礦頂板高抽巷布置在導氣裂隙帶內，即：距離開采煤層的頂板約30 m處，鄰近層和采空區卸壓瓦斯可由裂隙直接導入頂板高抽巷，回采工作面前方一定范圍內受采動影響形成的破裂帶也有利于釋放回采面前方煤體中的瓦斯。由于瓦斯密度比空氣低，總是向上漂移，在頂板高抽巷巷風流的作用下，上隅角及后溜尾的瓦斯很易流入頂板高抽巷中，見圖6。頂板高抽巷沿2號煤頂板布置，與工作面回風巷內錯20 m，距煤層頂板30 m（根據實驗、現場考察、理論分析確定），這個位置正處在工作面采空區冒落帶上部的裂隙帶，這既能保證巷道斷面維持的較好，又使頂板高抽巷風量大小不受采空區冒落煤和巖石堆積疏密程度限制，還能保證采空區及周邊破裂煤體釋放的瓦斯較易進入頂板高抽巷，并使抽排風能夠通過調整抽放泵抽放量實現控制。

圖6 頂板高抽巷位置平面示意圖

3 結束語

本文所述項目研究不僅是對塔山煤礦防滅火系統的改進，也是對其石炭二疊系特厚煤層開采瓦斯抽放模式的創新，并為低瓦斯含量的石炭二疊系特厚煤層開采防滅火、瓦斯抽采技術的探索奠定堅實基礎，具有可觀的經濟效益和社會效益，應用前景較為廣泛，也具有很好借鑒作用。

[1]汪東生.工作面風流流場及瓦斯分布規律計算機模擬[J].煤礦安全,2008（9）：45-47.

[2]孫培德.煤層瓦斯流場流動規律的研究[J].煤炭學報,1987（4）:74-81.

[3]林柏泉.U形通風工作面采空區上隅角瓦斯治理技術[J].煤炭學報,1997（5）:509-513.

[4]吳世躍.煤層氣運移特征的研究[J].煤炭學報,1999（1）:65-69.