近距離煤層瓦斯涌出影響因素分析及治理

趙文曙，趙澤輝

(山西西山煤電股份有限公司，山西 太原 030052)

西山礦區經過多年高強度開采，淺部賦存條件較好的煤炭資源基本枯竭[1]，為了延長礦井服務年限，礦區采掘作業逐漸向深部發展，煤層地質條件更趨復雜，瓦斯含量顯著增高，礦區內多個礦井(屯蘭礦、馬蘭礦和東曲礦等)被鑒定為瓦斯突出礦井[2-4]。統計數據表明，瓦斯事故在煤礦重大事故中的占比高達75%以上，由此可見，瓦斯是制約礦井安全高效生產的關鍵因素[5-6]。西銘礦對近距離煤層瓦斯來源進行分析，制定相應的瓦斯治理方案，確保近距離煤層安全開采，降低了瓦斯事故風險，為該礦區和類似礦井瓦斯治理提供了參考。

1 工程概況

西銘礦為高瓦斯礦井，可采煤層共有4層，分別為2號煤、3號煤、8號煤和9號煤，其中上位2號煤已回采完畢，目前主采8號煤，煤層厚度5.10～6.40 m，平均厚度5.80 m，傾角1～8°，平均傾角5°，裂隙發育，結構復雜，厚度變化不大，為單一穩定中厚可采煤層。9號煤厚度3.92～4.41 m，平均厚度4.16 m。8號煤與上位2號煤間距為90 m，與下位9號煤間距為1.64～3.41 m，為典型近距離煤層。48710工作面東為48712工作面(設計)，南鄰北七右翼回風巷，西鄰48708工作面，北為隨老母斷層，工作面標高+1 034～+1 078 m，走向長1 164 m，傾斜長220 m，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法回采。工作面采用U型通風，配風量為2 125 m3/min。瓦斯含量實測結果表明：煤層原始瓦斯含量為11.24 m3/t，殘存瓦斯含量為3.65 m3/t，可解吸量為6.24 m3/t。48710工作面布置及其頂底板情況如圖1和圖2所示。

圖1 48710工作面布置示意

2 瓦斯涌出影響因素分析

2.1 頂底板應力環境對瓦斯涌出量的影響

受48710工作面回采影響，工作面頂底板巖層原始應力平衡狀態和巖層完整性被破壞，導致頂底板巖層內部裂隙發育，為鄰近層瓦斯涌出提供了通道。因此，為了探究48710工作面回采對瓦斯涌出量的影響情況，對工作面推進過程回風流和回風隅角瓦斯濃度進行監測，結果如圖3所示。

圖2 煤巖層綜合柱狀

圖3 回風和回風隅角瓦斯量與工作面推進距離的關系

由圖3可知，工作面推進距離小于16 m時，回風流和回風隅角瓦斯濃度隨工作面推進增長幅度不大，這是由于該范圍內，采空區頂板隨工作面推進而緩慢下沉，頂板破碎巖塊零散垮落，且工作面推進距離較短，對頂底板巖層破壞范圍較小，采空區頂板巖層內部瓦斯通道較少[3]。工作面推進至19～32 m范圍時，回風流和回風隅角瓦斯濃度劇烈增長，在該范圍內，受初次來壓和支架推移影響，工作面老頂逐步跨落，導致頂板巖層裂隙大幅度增加，為鄰近層瓦斯涌出創造了條件。工作面推進距離大于35 m時，回風流和回風隅角瓦斯濃度隨工作面推進距離的增大而同步變化，且基本趨于穩定；因為該范圍內初次來壓結束后受周期來壓(周期來壓步距為25 m)影響，頂板活動劇烈，片幫嚴重，支架壓力增大。綜上所述，工作面推進距離的增加導致頂底板巖層應力發生變化，裂隙發育程度增大，為下位9號煤的瓦斯涌出創造了有利的裂隙通道條件。

2.2 瓦斯來源空間分布對瓦斯涌出的影響

48710工作面瓦斯來源除了本煤層采空區遺留浮煤和裸露煤巖柱外，最主要的來源為下位9號煤。因為8號煤與下位9號煤層間距僅為1.64～3.41 m，而層間巖層又為細砂巖和薄層頁巖，裂隙較為發育，透氣性較好，9號煤瓦斯具有較好的向上涌出條件。48710工作面采空區瓦斯來源空間分布特征如圖4所示。

圖4 采空區瓦斯來源空間分布特征

由圖4可知，在工作面周期來壓之前，采空區老頂發生下沉、破斷和垮落，不斷將采空區垮落的矸石壓實，采空區空間不斷減小，大量從9號煤涌出的高濃度瓦斯在壓實作用下，由采空區底部向外推移，從而形成“活塞式”積壓效應，導致瓦斯向采場呈“弱-強-弱”的規律涌出。另外，在周期來壓期間，采空區內的瓦斯在老頂大面積垮落所造成的強烈氣流沖擊下大量涌進工作面，導致工作面瓦斯濃度急劇增大，極易造成瓦斯超限事故。

2.3 工作面瓦斯涌出量預測

由上述分析可知，48710工作面瓦斯來源主要有三個，分別為：本煤層、采空區及裂隙帶和下鄰近9號煤層。根據北七采區其他工作面回采期間瓦斯涌出情況，預計本煤層瓦斯涌出量M1=6.28 m3/min，下鄰近9號煤層瓦斯涌出量M2=3.44 m3/min，采空區及裂隙帶瓦斯涌出量M3=8.46 m3/min，因而工作面回采期間，預計絕對瓦斯涌出量為18.18 m3/min。

由此可知，48710工作面為高瓦斯工作面，為了確保工作面安全生產，必須制定相應的瓦斯治理措施。

3 瓦斯治理措施及效果

由48710工作面瓦斯涌出影響因素的分析可知，在本工作面采動影響下，下位9號煤層通過48710工作面底板裂隙進入到48710工作面采空區，且在“活塞式”積壓效應作用下，造成采空區底板附近一定范圍內瓦斯濃度最高，頂底板之間一定范圍內瓦斯濃度最低，而靠近頂板一定范圍時瓦斯濃度較高。因此，在8號煤層回采過程中，應對本煤層進行抽采，同時通過布置底抽鉆孔對下位9號煤的瓦斯進行預抽。

1) 本煤層順層鉆孔抽采。根據48710工作面地質條件和巷道布置情況，將本煤層抽采鉆孔布置在48710單軌吊巷內。首個本煤層鉆孔布置在切眼向外9 m處，鉆孔間距為9 m，并對所有鉆孔采用液態二氧化碳爆破管預裂爆破，增加煤層透氣性。鉆孔與巷道中線夾角為90°，鉆孔傾角為煤層傾角，鉆孔開孔和終孔孔徑為113 mm，開孔位置距巷道底板1.6～1.8 m，深度為205 m。

2) 底抽鉆孔。48710工作面回采前和回采期間，在48710單軌吊巷布置鉆場，鉆場間距為20 m；每個鉆場內施工5個穿層底抽鉆孔，鉆孔施工至下位9號煤底板0.5 m以下，孔徑為75 mm，孔深為18～25 m，封孔深度不小于5 m。

本煤層順層鉆孔抽采和底抽鉆孔穿層抽采5個月的抽采監測數據如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采實測數據

由圖5(a)可知，48710工作面單軌吊巷本煤層順層抽采瓦斯濃度為4.72%～20.89%，平均抽采濃度10.58%；瓦斯抽采純量為0.33～2.72 m3/min，平均瓦斯抽采純量1.16 m3/min。由圖5(b)可知，48710工作面底抽鉆孔穿層抽采濃度為4.17%～76.24%，平均抽采濃度43.12%，瓦斯抽采純量為0.81～24.86 m3/min，平均瓦斯抽采純量8.84 m3/min。因此，48710工作面瓦斯平均抽采純量為10 m3/min(本煤層順層鉆孔抽采與底抽鉆孔穿層抽采平均瓦斯抽采純量之和)，工作面回采期間預計絕對瓦斯涌出量為18.18 m3/min，故工作面瓦斯抽采率達55%，實現了瓦斯治理的目的，為工作面安全生產提供了保障。

4 結 語

1) 受頂底板應力環境的影響，工作面回風流和回風隅角瓦斯濃度隨工作面推進距離的增大呈現出不同的變化特征。

2) 近距離煤層開采時，采空區瓦斯在老頂垮落壓實和氣流沖擊作用下形成“活塞式”積壓效應，導致其向采場呈“弱-強-弱”的規律涌出，在空間上呈上下部濃度高，中間濃度低的分布特征。

3) 基于北七采區其他工作面回采期間瓦斯涌出情況，針對48710工作面制定了本煤層順層鉆孔抽采和底抽鉆孔穿層抽采的瓦斯治理措施，現場瓦斯抽采監測結果表明工作面瓦斯抽采率達55%，為工作面安全高效生產提供了保障。