煤礦工作面瓦斯涌出量的預測與防治

崔佳斌

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

引 言

煤礦安全生產問題關系著煤礦綜采工作面的采煤效率和工作面作業人員安全。隨著綜采設備自動化水平、開采工藝及采煤技術的進步，工作面的采煤效率已得到顯著提升，從而對工作面安全生產的保障措施和要求提出了更高的要求。工作面瓦斯的涌出、突出以及災害等事故不同于火災、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因素、開采工藝以及人為因素有關[1]，因此，為了預防由于瓦斯治理不合格所導致的礦井事故，可通過提升預測工作面的瓦斯涌出量，為瓦斯的治理提供依據。

1 工程概況

本文以宏遠煤礦3#煤層為研究對象，目前3#煤層探明的可供開采的煤炭儲量為34 Mt，基于綜合機械化采煤設備，煤礦所設計的生產能力為1.2 Mt。西部下組煤回風巷道斷層、褶曲發育情況及分布如下：

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

斷層：據周邊8#煤巷資料及上覆2#煤巷揭露資料推測，該巷掘進中開口前218 m遇正斷層F8624(H=1.5 m)，對掘進有一定影響，預計掘進中還將有斷層出現。斷層特征表如表1所示。

表1 斷層特征表

陷落柱：因8#煤層陷落柱較發育，該巷在掘進中可能會揭露中小型陷落柱。

節理：據周邊8#煤資料分析，該面局部地段頂板節理比較發育，陷落柱、斷層附近構造節理較發育，對掘進有一定影響。

工作面無火成巖侵入及煤層分叉現象。經對3#煤層瓦斯量的測定，該煤層總瓦斯含量為11.67 m3/t～13.47 m3/t，經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測方法分析

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。在實際生產中，常通過絕對瓦斯量或相對瓦斯量對瓦斯的涌出量進行衡量[2]。其中，絕對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量的比值。二者的關系如式(1)所示：

qCH4=QCH4/A

(1)

式中，qCH4為相對瓦斯涌出量，m3/t；A為工作面的日生產量，t/d；QCH4為絕對瓦斯涌出量，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。在實際開采過程中，吸附于煤層或者巖層的瓦斯變為游離狀態涌出。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；開采技術主要包括煤層的開采規模和所采用的生產工藝。

2.2 工作面瓦斯涌出量預測方法分析

傳統應用于瓦斯涌出量預測方法包括有統計預測法(簡易統計法、線性回歸法)和分源預測法(需掌握煤層的瓦斯風化帶深度，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方式[3]。)

3 3#煤層工作面瓦斯涌出量的預測

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

3.1 回采工作面瓦斯涌出量的預測

3#煤層所采用的開采方式為綜采放頂采煤工藝，其對應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[4]。

其中，由于工作面采用綜采放頂采煤工藝，根據對應的開采層圍巖瓦斯涌出量的計算公式得出：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涌出量為13.15 m3/t，瓦斯絕對涌出量為31.51 m3/min。

3.2 掘進工作面瓦斯涌出量的預測

3#煤層掘進工作面瓦斯涌出量包括在掘進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，對應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。則掘進工作面所涌出瓦斯總量為6.13 m3/min。

3.3 采區瓦斯涌出量的預測[見式(2)]

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

(2)

式中，k為采空區瓦斯的涌出系數，取k=1.25；qc為回采工作面瓦斯的相對涌出量，qc=13.15 m3/t；A為回采工作面的平均日常量，A=3 451 t；qj為掘進工作面瓦斯的絕對涌出量，qj=6.13 m3/min；A0為采區的平均日產量，A0=3 636 t。

根據上述計算公式，得出3#煤層采區瓦斯的相對涌出量為15.6 m3/min，對應的絕對瓦斯涌出量為39.39 m3/min。

4 工作面瓦斯的防治

根據煤礦工作面所選采煤工藝、機械設備的布置以及瓦斯涌出量的預測結果，3#煤層從用抽采方法實現對其工作面瓦斯的防治[5]。瓦斯抽采方案設計時需遵循以下原則：

1) 根據回采工作面、掘進工作面以及采區瓦斯涌出量所占比例的不同，將各種方法結合使用，從而達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人員的勞動強度；

3) 確保所建設工程布置的合理性，便于后期的維護和修理。

3#煤層工作面在回采工作面、掘進工作面以及采區均出現不同量的瓦斯涌出，故需對上述三個工作面進行瓦斯的防治。

4.1 采區瓦斯的抽采

采區所涌出的瓦斯采用斜向鉆孔的方式進行抽采。其中，工作面在開采前對瓦斯進行預抽，在開采期間采用卸壓抽采的方式。采區抽采方式交叉鉆孔的參數如表2所示。

表2 采區工作面交叉鉆孔參數

4.2 掘進工作面瓦斯的抽采

掘進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。基于邊掘進邊抽采的方式，其對應的鉆孔的參數如表3所示。

表3 掘進工作面交叉鉆孔參數

4.3 鄰近層、采空區工作面瓦斯的抽采

經現場測量可知，采空區瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量的46%。結合3#煤層特點及開采條件，采空區采用高位鉆孔抽采方式對瓦斯進行抽放。

鉆場布置：沿回風順槽布置鉆場，每個鉆場的間距為50 m，鉆場的長度為4 m，寬度為3 m，鉆場的高度與巷道的高度一致。每個鉆場內布置8個鉆孔，且鉆孔按照扇形進行布置。

5 結語

綜采工作面涌出的瓦斯威脅著工作面的安全生產。為確保綜采工作面的安全生產，在保證綜采設備可靠性、通風系統效能以及支護效果因素外，還需確保工作面的瓦斯濃度滿足《煤炭安全規程》的相關要求。針對我礦3#煤層，采用抽采工藝實現對涌出瓦斯的治理。