Ⅲ4423工作面火成巖侵蝕條件下瓦斯災害動態治理研究

江亮華

摘 要：為研究火成巖侵蝕下高瓦斯礦井瓦斯災害綜合治理，以朱莊煤礦Ⅲ54采區Ⅲ4423工作面為對象，對該瓦斯治理采用動態綜合防治技術，在探明工作面內是否因火成巖的分割、穿插和侵入的情況下，對有瓦斯儲集地段采用順層鉆孔和高位鉆場及采空區埋管抽放方式進行防治，而對瓦斯含量低的地段，則取消順層鉆孔抽放瓦斯和增大鉆場抽放的距離，以優化其防治措施。在Ⅲ4423工作面的回采實踐中，即保證了安全高效回采，又節約了瓦斯治理成本，對同類礦井的瓦斯治理具有重要借鑒作用。

關鍵詞：火成巖;火成巖侵蝕;高位鉆場;動態管理;瓦斯抽放

我國煤礦95%以上為井工開采，其中70%以上的國有煤礦為高瓦斯礦井。起因于我國大陸是由眾多小型地塊多幕次匯聚而成，主要煤田經受了多期次，多分析、強度大小不一的地質構造運動的構造，致使煤層賦存條件極為復雜，自開采以來，煤礦災害事故一直未得到有效控制。據煤礦大量事故災害條件分析看出，瓦斯災害事故仍然是煤礦的“第一殺手”，如2003-2009年度死亡100人以上的十起事故中，瓦斯災害就占6起。死亡849人。因此，對瓦斯災害的嚴格治理，是煤礦開采中的一項艱巨任務。

1 朱莊煤礦Ⅲ54采區4423工作面基本情況概述

位置及概況：Ⅲ54采區位于朱莊井田的西南部，Ⅲ54采區下部南到楊莊礦與朱莊礦礦界，北以三水平西大巷為界，東到Ⅲ54和Ⅲ52、Ⅲ53采區邊界線，西到楊莊礦與朱莊礦礦界。東西長約1800m，南北寬約1100m，面積約1.98km2。采區內3煤層受巖漿侵蝕不可采，4煤層、5煤層局部受巖漿侵蝕不可采，4煤層可采面積約0.56km2，5煤層可采面積約1.41km2。地表為農田及村莊。地面標高+32m左右。

煤層情況：Ⅲ54采區的4煤層和5煤層均屬二疊系下石盒子組，4煤層厚度平均1.5m。煤層結構復雜，煤層中含一層夾矸，煤層傾角4°～10°，煤種牌號為貧煤。5煤層厚度平均2.6m，煤層結構較簡單，煤層傾角4°～10°，煤種牌號貧煤，煤巖類型半亮型。4煤層至5煤層間距：5～16m，平均10m左右。

地質構造情況：Ⅲ54采區下部從煤層底板等高線走向形態看，為一個小型褶曲，東邊采區邊界處為一背斜構造（戴莊背斜），背斜軸近乎與邊界線平行。中間有一向斜構造，向斜軸位于Ⅲ54采區下部進風進料石門的左翼。因此，左翼工作面掘進會出現巷道起伏;右翼基本為單斜構造，巷道沿煤層傾向施工，為上山掘進，煤層傾角變化不大。斷裂構造從下部勘探鉆孔揭露的煤層厚度資料，底板標高變化，煤層傾角的變化上分析，預計出現落差H=5.0m以上斷層可能性不大;但從采區上部已回采過的工作面地質情況看，中、小斷層較發育，對生產造成一定影響，預計下部工作面在掘進和回采過程中也會遇到類似情況。Ⅲ54采區下部的4煤和5煤均有巖漿侵蝕，其中4煤侵蝕較嚴重，左翼大部分和右翼下部都不可采?？刹煞秶s占下部采區面積的3/10;5煤左翼受巖漿侵蝕面積較小，約0.12km2，但不可采。右翼侵蝕面積較大，約 0.45km2，侵蝕區內煤厚1.7～2.5m，在可采范圍內。從下部Ⅲ4423機聯上山和Ⅲ54下部回風聯絡上山見5煤層（中間有一層巖漿巖，厚度0.3～0.5m）情況分析，預計右翼巖漿侵蝕區內的5煤層中有一層或二層巖漿巖。

頂底板情況：Ⅲ54采區的4煤層直接頂板為灰～深灰色泥巖，塊狀、含植物葉片化石，厚1.0～3.0m;往上為灰色砂質泥巖，厚3.0～5.0m;再往上依次為灰白色細砂巖，厚3.0～8.0m，灰黑色粉砂巖，厚1.0～6.0m;3煤層，變質為天然焦，厚0.15～1.3m，其上為巖漿巖，厚8～12m。Ⅲ54采區4煤的直接底板為灰黑色泥巖或砂質泥巖，含植物根莖化石，厚1.5～4.0m;往下為灰白色中、細粒砂巖，厚2.5～8.0m;再往下依次為灰黑色砂質泥巖1.0～4.0m;五煤層，厚2.0～3.6m;灰～灰黑色砂質泥巖，厚2.0～4.0m，底部有0.1m厚煤線;灰白色細砂巖，厚3.0～6.0m，底部有0.2～0.4m厚煤線;灰色砂質泥巖，厚10m左右;灰白色鋁質泥巖，厚3.0～5.0m。

2 朱莊煤礦54采區Ⅲ4423工作面瓦斯災害動態治理

根據火成巖侵蝕對煤層改造和瓦斯儲集規律的研究可以看出，在煤層有火成巖侵蝕時將對瓦斯的儲集形成兩種結果，如果改造后的煤層裂縫與圍巖裂隙溝通時，則瓦斯將通過圍巖裂隙逸散至圍巖中或地表，形成低瓦斯區域;如果沒有與圍巖裂隙溝通，或圍巖亦由致密巖層組成時，則在火成巖切割的局部區域形成高瓦斯區域。因此，從優化瓦斯治理目標出發，針對本礦34423工作面的瓦斯治理采用動態綜合治理措施。

2.1 工作面較低瓦斯儲集區域的治理措施

因火成巖的侵蝕，使工作面煤層的局部區域瓦斯因煤層裂隙與圍巖裂隙通道溝通而使瓦斯積聚較少，為此，Ⅲ4423工作面瓦斯的治理，則以風排瓦斯為基礎，考慮在4煤采動時，鄰近煤層3煤和5煤瓦斯的涌入，故采用高位鉆場和采空區埋管抽放瓦斯的治理措施，如圖1所示。利用高位鉆孔抽放Ⅲ4423工作面采空區裂隙帶內的瓦斯，既可抽放3煤煤層內的瓦斯，又可抽放積聚在4煤采空區頂板裂隙帶的大量瓦斯，確保4煤采空區上隅角的瓦斯濃度不超限。在Ⅲ4423工作面每距70～80m左右，沿4煤的頂板作鉆場，鉆場尺寸為長（5.8m）×寬（4m）×高（1.8～2.2m），具體見圖1所示。鉆場內布置6個鉆孔，布置形式主要為“三高三低”，鉆孔壓茬距離為30m，三高鉆孔用于抽放3煤的卸壓瓦斯，三低鉆孔用于抽放本煤層4煤采空區遺留瓦斯及過鉆場時提前解決上隅角的瓦斯，鉆孔孔徑為108mm。

因4煤與5煤間距較近，為了防止開采4煤時，5煤的瓦斯大量涌入采煤工作面，同時為了人為誘導5煤瓦斯沿下行鉆孔的孔道和采空區垮落后產生集中應力產生新裂隙而涌入采空區，保證5煤的安全開采，沿Ⅲ4423工作面風巷每隔20m作下行孔鉆場，鉆場和鉆孔的施工參數如圖2所示。

2.2 工作面高瓦斯儲集區域的治理措施

在Ⅲ4423工作面局部區域，由于火成巖的侵蝕、穿插和分割作用，使4煤煤層在開采實際中出現多個瓦斯幾個局部瓦斯儲集區域，源于煤層瓦斯在圍巖致密的條件下，無法通過裂隙系統向周圍逸散，如頂板為巨厚火成巖時，就會在煤層及頂板巖層內大量儲集，形成高瓦斯儲集區域，則僅靠高位鉆場的斜交鉆孔尚難保證綜采工作面瓦斯濃度不超限，因此，在遇到此種情況下，則在較低瓦斯儲集區域的基礎上，局部采用順層鉆孔對該區域進行瓦斯預抽。鉆距為5m，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 ?朱莊煤礦Ⅲ4423工作面順層鉆孔布置示意圖

3 Ⅲ54采區Ⅲ4423工作面瓦斯災害動態優化治理結果分析

為了考察Ⅲ4423工作面瓦斯實施動態綜合治理的效果，選?、?423工作面回采期間回風流瓦斯濃度較大的時間段進行分析。2011年1月1日至4月29日的Ⅲ4423工作面回風巷瓦斯濃度監測原始記錄進行統計可以發現，在近4個月的時間內，Ⅲ4423工作面回風巷瓦斯濃度均在0.7%以下，滿足煤礦安全規程要求，為煤礦生產提供了有利的安全保障。同時，根據傳統的防治措施和瓦斯基礎參數確定，需高位鉆場和低位鉆場各14個，順層鉆孔102個，高位鉆場內鉆孔84個，低位鉆場鉆孔52個，而通過治理方案優化后，實際施工高位鉆場8個（還有兩個待施工），低位鉆場2個，順層鉆孔20個，則節約高位鉆場數4個，節約高位鉆場鉆孔工程量=4鉆場×6鉆孔/鉆場×110m=2640m;節約低位鉆場12個，低位鉆孔工程量=12鉆場×3鉆孔/鉆場×45m=1620m;節約順層鉆孔工程量=82個×50m/個=4100m。按鉆孔100元/m和鉆場4000元/m，計算節約瓦斯治理成本如表1所示。

表1 ?朱莊煤礦Ⅲ4423工作面瓦斯治理動態優化后

節約成本計算一覽表

[工程名稱＼&單位＼&節約量＼&單價（萬元）＼&節約成本（萬元）＼&高位鉆場

低位鉆場

高位鉆孔工程量

低位鉆孔工程量

順層鉆孔工程量

合計＼&個

個

m

m

m

＼&4

12

2640

1620

4100

＼&3.6

0.8

0.01

0.01

0.01

＼&21.6

9.6

26.4

16.2

41.0

114.8＼&]

4 結論

由于各煤層賦存條件的復雜性，給瓦斯災害治理帶來艱巨性和綜合性，在火成巖侵蝕條件下，煤層物性和瓦斯儲集運移特性將有所改變。通過對朱莊煤礦Ⅲ54采區Ⅲ4423工作面的瓦斯治理實踐表明，對本工作面內分區域實施不同的優化防治措施，不僅保證了回采時回風巷瓦斯濃度不超標，滿足煤礦安全規程要求，而且與傳統的防治方案比較，可節約大量的瓦斯治理成本，通過計算可得，Ⅲ4423工作面瓦斯治理成本可節約114.8萬元。因此，對瓦斯災害的局部治理采用優化的綜合治理措施，值得在其它礦井類推廣應用。

參考文獻：

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