碾焉煤礦8101工作面頂板瓦斯異常涌出分析

劉慧志

(1.山西省煤炭工業廳 煤炭資源地質局， 山西 太原 030045；2.山西省煤炭工業廳 綜合測試中心， 山西 太原 030045)

瓦斯主要賦存于煤體的孔隙中，以游離態和吸附態兩種形式存在，吸附態瓦斯占到75% 以上，當煤層的壓力降低，吸附態瓦斯轉化為游離態瓦斯，快速向采掘作業巷道釋放[1]. 瓦斯的突然釋放造成工作面瓦斯超限事故，制約煤礦的安全生產。

碾焉煤礦8101工作面在初次來壓之后瓦斯突然異常增大，為此，本文在對煤層瓦斯含量實測的基礎上對頂板石灰巖瓦斯異常涌出進行分析，并采取有效的瓦斯防治措施以確保礦井安全生產。

1 概 況

1.1 礦井基本情況

碾焉煤礦位于山西省柳林縣城北直距19 km處王家溝鄉碾焉村，該礦于2010年12月22日開始基建，2015年3月1日進入聯合試運轉，2015年8月7日至8日進行了竣工驗收，井田面積為5.101 7 km2，礦井生產能力90萬t/年，現為生產礦井，開采8號煤層，開采標高由+880 m至+480 m，礦井通風方式為中央并列式，通風方法為機械抽出式。礦井通風系統為兩進一回，即主斜井和副立井進風，回風立井回風。2020年之前開采4號煤層，瓦斯涌出一直較低，為低瓦斯礦井，之后延深到8號煤層，8101工作面回采一段時間后瓦斯突然異常增大，升級為高瓦斯礦井。其西北部相鄰的西坡礦井為高瓦斯礦井，東部、南部、西南部、東北側的相鄰礦井均為低瓦斯礦井；本井田走向北東、傾向北西的單斜，地層傾角較平緩，在2°～8°，在單斜基礎上，井田東南部發育2條褶曲，褶曲起伏不大，井田內目前發現11條斷層，揭露的斷層落差小于5 m，無巖漿活動，該礦地質構造復雜程度類型為簡單類型。井田內8號煤層位于太原組中下部，煤層厚度2.00～3.10 m，平均2.65 m，含0～2層夾矸，結構簡單～較簡單，其頂板為石灰巖，底板為泥巖、砂質泥巖，為穩定的全區可采煤層，煤種為焦煤。

1.2 8101工作面基本情況

8101工作面位于整個井田的西北部邊界，采用綜合機械化一次采全高采煤工藝，后退式回采，全部垮落法管理頂板。工作面長度為150 m，工作面回采率為95%，煤容重1.39 t/m3，8號煤層埋藏深度在150～330 m；8101工作面西部為井田邊界；東部為8102膠帶順槽掘進，8101回采工作面初采時絕對瓦斯涌出量為1.00 m3/min；8101回采面初次來壓之后瓦斯突然異常增大，絕對瓦斯涌出量最大達到43.00 m3/min. 8101工作面布置圖見圖1.

圖1 8101巷道位置圖

2 瓦斯異常涌出分析

2.1 瓦斯來源分析研究

瓦斯主要以游離態瓦斯和吸附態瓦斯存在，煤層對瓦斯有很強的吸附性，巖石對瓦斯基本無吸附作用，但瓦斯可以以游離態存在于煤巖裂隙、孔隙中。在原巖應力狀態下，煤層自生成以來一直處于吸附、解吸的平衡狀態，在頂板巖層與煤層間出現裂隙，煤體的應力釋放和膨脹變形導致煤層中的瓦斯向頂板巖層和煤層的裂隙中積聚[2]. 且巖層內含有的水能夠溶解大量瓦斯。在采掘活動作用下， 隨著煤層的回采，應力發生變化，頂板垮落產生的裂隙通道造成游離瓦斯快速釋放到工作面巷道或工作面采空區內造成回采面瓦斯異常增大。

2.2 瓦斯涌出突然增大原因

8101回采工作面西北部的西坡煤礦為高瓦斯礦井，井田西部已經采空，東部為8102膠帶順槽掘進，收集分析了8101工作面巷道掘進期間和8102膠帶順槽掘進時期瓦斯涌出資料，瓦斯均較小沒有瓦斯異常涌出情況。8101回采工作面底板標高在510～550 m，埋深變化不大，在300～330 m，實測8101、8102工作面瓦斯含量為3.00～4.00 m3/t，計算工作面最大絕對瓦斯涌出量為4.37 m3/min. 因此，本煤層瓦斯涌出不是造成瓦斯涌出量增大的原因。

根據調查，瓦斯涌出主要來源于采空區，煤層瓦斯含量不大，考慮是上下鄰近層瓦斯的涌出。上鄰近層只有4號煤層可采，4號煤層一直是低瓦斯礦井，瓦斯涌出較小，瓦斯涌出突然增加到43.00 m3/min，斷定回采面采空區頂板自然垮落形成裂隙，導致大量游離瓦斯的涌出，造成工作面瓦斯涌出突然驟增的現象。

根據煤礦地質資料，8號煤層位于石炭系上統太原組(C3t)，為本區主要含煤地層之一，巖性主要為黑色泥巖、砂質泥巖、中粗粒砂巖、灰色石灰巖及煤層。8號煤層頂板為致密的灰巖，灰巖上方為砂質泥巖，屬于致密、透氣性差的巖層，不利于瓦斯的釋放。8101回采面初次來壓之后頂板自然垮落形成裂隙，造成石灰巖內的游離瓦斯隨著裂隙進入回采面巷道內和回采面采空區內。

3 頂板石灰巖內瓦斯涌出的治理

在8101工作面回風巷內布置抽采鉆場，在每個抽采鉆場內布置4個高位抽采鉆孔，鉆孔打至8號煤層上部的灰巖頂板終孔。經連接抽放管抽采，8101抽放管的抽放量維持在35.00 m3/min以上，回采面回風巷內的瓦斯在3.00 m3/min以下，抽采前后瓦斯涌出量對比見圖2. 采用頂板走向鉆孔進行工作面回采期間的瓦斯抽采，能夠有效地治理8101工作面回采期間頂板石灰巖裂隙中的瓦斯涌出。

圖2 抽采前后瓦斯涌出量對比圖

4 結 語

對于煤層瓦斯含量較小，頂板瓦斯涌出量特別大的情況，認為頂板石灰巖內具有大量游離瓦斯包，回采面頂板垮落形成的大量裂隙，為瓦斯流向回采面提供了通道。分析8101回采面瓦斯突變涌出的原因，為碾焉煤礦今后對頂板石灰巖瓦斯涌出提供了瓦斯治理的依據。

應用頂板高位走向鉆孔抽采回采工作面頂板灰巖裂隙瓦斯，降低了巷道內瓦斯濃度和瓦斯涌出量；且抽采量連續、抽采時間長、抽采效率高，解決了瓦斯涌出量大帶來的安全隱患。