炮采放顶煤工作面瓦斯治理研究

郑 雷 周连春 王雪芹

(1.乌海职业技术学院,内蒙古 016000;2.神华乌海能源有限责任公司,内蒙古 016000;3.内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古 014010)

1 工作面概况

鹤壁中泰矿业有限公司位于鹤壁矿区北中部分,煤层平均厚度为8m,工作面自采用放顶煤开采工艺以来,基本达到了高产、高效的目的。由于该工作面位于煤与瓦斯突出危险区,煤与瓦斯突出问题成为制约安全生产的首要因素,因此治理煤与瓦斯突出问题刻不容缓。

21301工作面为炮采放顶煤工作面,该工作面东以21301下顺槽为界与4F37断层相邻,南以切眼为界与2118采空区相邻,西以21301上顺槽为界与21281采空区相邻,北以设计停采线为界与21301边切眼相邻。该工作面平均推进长度270m,上顺槽长402m,下顺槽长371m平均煤厚5～6m,工作面平均长度65m,煤层倾角13～20°,工作面煤尘爆炸指数为15.87%。

2 瓦斯含量影响因素

煤层瓦斯含量是一定量煤中所含有的瓦斯量,它是煤层的基本瓦斯参数,是计算瓦斯蕴藏量、预测瓦斯涌出量的重要依据。瓦斯的形成和保存、运移与富集,同地质条件有密切关系,并受到地质条件的制约。对于不同区域、不同煤田或不同块段,影响瓦斯赋存的地质条件存在着差异,起主导作用的因素也有区别,经研究分析影响该矿井煤层瓦斯含量的因素有以下五方面：

(1)煤层的埋藏深度对瓦斯含量的影响

煤层的埋藏深度增加不仅加大了地应力,使煤层与岩层的透气性变差,而且加大了瓦斯向地表运移的距离,有利于瓦斯的储存。在不受地质构造影响的区域,当深度不大时,煤层的瓦斯含量随深度呈线性增加,当深度很大时瓦斯含量趋于常量。

(2)围岩性质对瓦斯含量的影响

煤层围岩主要指煤层直接顶、老顶和直接底板等在内的一定厚度范围的层段。煤层与围岩的透气性对煤层瓦斯含量有很大影响,其围岩透气性越大、煤层瓦斯越容易流失、瓦斯含量越小;反之,瓦斯易于保存,煤层瓦斯含量大。本区主采的煤层顶板为粉砂质泥岩、细砂岩,裂隙不发育,透气性差,封闭瓦斯较好,煤层内赋存的瓦斯相对较高,含量较大。

(3)煤层厚度及变质程度对瓦斯含量的影响

区内主采煤层以光亮-半亮型煤为主,厚度变化不大,其对瓦斯的赋存及分布影响不大。煤种单一,变质程度较高,生成的瓦斯量较多。其主要原因为：第一,煤层瓦斯的产出量直接依赖于煤化程度;第二,随着变质程度的加深,煤的气体渗透率下降,气体沿煤层向地表方向运移也就更慢;第三,变质程度越高,煤的吸附能力越大,煤层中便于更多的气体赋存。

(4)煤层倾角对煤层瓦斯含量的影响

煤层倾角大时,瓦斯可沿着一些透气性好的地层向上运移和排放,瓦斯含量低;反之,煤层倾角小时,一些透气性差的地层就起到了封存瓦斯的作用,使煤层瓦斯含量升高。本矿煤层倾角为多为9～15°,只有在西翼和东北翼的煤层倾角较大,为25～40°。故不利于瓦斯的排放,利于瓦斯的赋存。

(5)含煤岩系沉积环境和围岩特征对瓦斯含量的影响

瓦斯主要形成于煤层,而煤层的赋存和分布与聚煤期有着密切的关系。聚煤沉积环境控制了煤层的原始分布,煤厚及其变化又受沉积环境的制约,同时聚煤前的沉积环境与聚煤后的沉积环境及其演化环境影响着煤层下伏及上覆地层的岩性、岩性组合及其厚度变化,所以说沉积环境对瓦斯区域分布、瓦斯的圈闭、保存和逸散均有重要影响。

含煤岩系的建造特征是瓦斯形成和保存的基础条件。海陆交互相含煤系,往往岩性与岩相在横向上比较稳定,沉积物粒细,煤系地层的透气性差,这种煤层的瓦斯含量高,陆相沉积与此相反,煤层瓦斯含量一般较低。该矿井含煤岩系龙潭组系海陆交互相含煤建造,聚煤期前后平静水体环境沉积的细碎屑岩、油页岩、硅质岩及泥灰岩等地层,岩性致密或具有膨胀性能,透气性差,致使煤层中的瓦斯沿法向透气性不利于瓦斯逸散。并且该区主采煤层4#煤层为丝质暗亮煤,6#煤层为丝质亮煤,镜煤和亮煤质地均匀而性脆,在后期构造运动影响下,容易破碎成棱角状小块,增加煤的表面积,有利于瓦斯储集。

3 煤层瓦斯突出性评价

煤层瓦斯含量具有不均匀性,受地应力、瓦斯压力及地质构造的影响与控制。工作面机巷掘进过程中按参数测定要求,在该区巷道系统范围内运用测压钻孔取样了4#煤层、6#煤层的原始瓦斯压力,瓦斯放散初速度△P,孔隙率,煤的破坏类型以及煤的坚固性系数f,测定结果见表1。

表1 煤层瓦斯参数测定表

由突出危险煤层危险性综合指标 K和D的计算公式

式中

K——煤层的突出危险性综合指标;

D——煤层的突出危险性综合指标;

H——开采深度,m;

P——煤层瓦斯压力,取两个测压钻孔实测瓦斯压力的最大值,MPa;

△P——软分层煤的瓦斯放散初速度指标;

f——软分层煤的平均坚固性系数。

利用表1的值,及该区段煤层的最大瓦斯压力(1.27MPa)计算得 K分别为34.8和72.4,均远远大于临界值15,D值分别为4.32和7.97,均远远大于临界值0.25,由此来看,该区域煤层具有严重突出危险性。

4 煤层瓦斯可抽性评价

瓦斯抽放指标是用来衡量煤层瓦斯抽放难易程度的参数,常用的有煤层透气性系数和钻孔瓦斯流量衰减系数。

原煤炭工业部发布的《煤矿瓦斯抽放规范》AQ1027-2006,将未卸压的原始煤层的抽放难易程度划分为：容易抽放、可以抽放、较难抽放三种类型,并规定了相应的取值范围 (表2)

表2 煤层预抽瓦斯难易程度分类表

(1)根据煤层透气性系数评价

煤层透气性系数评价抽放难易程度最直观,应用也最普遍,煤层透气性系数大,则容易抽放;煤层透气性系数小,则难于抽放。

4#煤层、6#煤层的透气性系数均在10m2/MPa2·d～0.1m2/MPa2·d范围内,属于可以抽放煤层。

(2)根据钻孔瓦斯流量衰减系数评价

钻孔瓦斯流量衰减系数是表示钻孔瓦斯流量随时间延长而呈衰减变化的系数,其流量按负指数函数规律衰减。衰减系数的测定方法比透气性系数简单,但计算出的数据不够精确,往往与煤层实际情况不相符合。衰减系数大,则表示抽放困难;衰减系数小,则表示抽放容易。由《矿井瓦斯抽放管理规范》的分类,根据表2,4#煤层、6#煤层的钻孔瓦斯流量衰减系数均在0.005～0.05范围内,按此分类指标,均应属于可以抽放煤层。

5 采煤工作面瓦斯涌出分析

5.1 生产工序与瓦斯涌出量的关系

生产工序对工作面的瓦斯涌出影响较大,研究表明,采面瓦斯涌出与机组工作状态和位置有密切关系,当采煤机从回风侧向进风侧割煤时,采面瓦斯涌出量逐渐减小。生产班各工序 (割煤、推溜、放顶等)之间虽有滞后时间,但要想严格区分各种工序对瓦斯涌出的影响是很难做到的,只能从宏观上对生产班和检修班的瓦斯涌出进行对比。参照平顶山矿区的工作面分析结果,实施采煤工作面生产班平均瓦斯涌出量是检修班的1.2～1.3倍。

5.2 时间与瓦斯涌出量的关系

采煤工作面瓦斯涌出量是一个随地质条件、煤层赋存状态、煤及围岩瓦斯含量、煤及围岩透气性系数、开采规模及开采工艺等因素变化的多元函数。但在一个相对短的时间内 (周围环境各因素不变的情况下),它主要随时间而变化。从图1我们可以看出,采煤工作面绝对瓦斯涌出量随时间是一个波浪式变化曲线,没用明显的规律特征,表明实际瓦斯涌出量是一组非稳定的、波动性较大的数据。

表3 工作面绝对瓦斯涌出量与产量表

图1 工作面绝对瓦斯涌出量与日产量图

5.3 配风量与瓦斯涌出量的关系

采煤工作面瓦斯来源于开采层瓦斯和采空区瓦斯。开采层瓦斯又主要来源于工作面煤壁和采落下来的煤块瓦斯涌出。采空区的瓦斯,一方面来源于遗留于采空区的残煤,另一方面更主要来源于仅次于开采层上、下数十米相邻的可采层、不可采层或富含瓦斯的围岩。

若采煤工作面瓦斯主要来自开采层,当采煤工作面配风量改变时,由于本煤层瓦斯涌出不随配风量的增减而变化,则回风巷风流中瓦斯浓度将随采煤工作面配风量的增减而发生变化,即采煤工作面配风量增加时回风巷瓦斯浓度降低,采煤工作面配风量减少时回风巷瓦斯浓度增高。

若采煤工作面瓦斯主要来自采空区,这时增加或减少采煤工作面配风量可以变更采空区瓦斯积聚条件,使得漏风风流从采空区带到回风巷或采煤工作面附近的瓦斯量发生变化。当采煤工作面配风量增加时,从采空区带出的瓦斯量增加,当采煤工作面配风量减少时,从采空区带出的瓦斯量降低,回风巷风流中瓦斯浓度的升降与采面配风量的增减并不成反比。这就是说,开采近距离煤层群中的主采煤层时,在采面工作面的瓦斯涌出中,只有采空区瓦斯涌出与采煤工作面配风量之间的关系比较密切。所以,风量过小,上隅角会超限;但风量过大,造成采空区瓦斯涌出量大,同样亦造成回风流和上隅角瓦斯超限。就该矿井而言,在采煤工作面实际配风中发现,增加风量并不能使回风巷瓦斯浓度降低,主要就是因为在开采近距离煤层群中的主采煤层时,采面回风流中的瓦斯涌出62%来自采空区和不可采煤层及上、下邻近层。表4和图2是21301工作面2007年3月至2007年12月绝对瓦斯涌出量与配风量之间关系的实测曲线图表。

表4 绝对瓦斯涌出量与配风量关系

图2 绝对瓦斯涌出量与配风量

5.4 周期来压前后瓦斯涌出量的变化

从采面开切眼回采起,随采面的推进,煤层顶板岩梁跨度逐渐增加,当达到极限跨度时,顶板岩梁断裂来压,这一过程周而复始,产生顶板周期来压的动力现象。

通过观测数据的统计分析表明,周期来压时,回风巷瓦斯有明显升高,工作面总的瓦斯排放量增加通常在30%～50%之间,特别是在老顶垮落时,工作面瓦斯排放量增加值达到最高,持续时间约在30～60min。工作面上隅角的瓦斯浓度是平时的2～3倍,这是由于来压后造成高浓度的瓦斯从采空区压出的缘故。顶板周期来压破坏了采场的应力状态和煤体结构,使煤层的孔隙率及透气性发生了变化。所以顶板周期来压时出现的周期性变化制约了瓦斯流速,导致瓦斯涌出量的周期变化。回采工作面顶板周期来压与瓦斯涌出量呈周期性变化交替进行,其步距基本相同,且顶板周期来压超前于瓦斯涌出量周期性变化,一般瓦斯涌出量峰值滞后于采场压力峰值8～16h。

6 顺层钻孔瓦斯抽放

顺层钻孔的钻场位于开采煤层中,抽放钻孔沿煤层布置,钻孔间可经相互平行,也可经相互交叉。顺层钻孔的优点在于：钻孔在煤层中均匀分布,抽放效果好;工作面回采到钻孔时,可以实现卸压抽放,钻孔利用率高,施工成本低。其缺点是：钻孔平行于煤层的层理面,影响抽放效果,在松软煤层中施工抽放钻孔容易出现垮孔卡钻等,施工困难,煤层中封孔困难,影响到抽放瓦斯浓度。结合试验矿井现场条件,经过技术和经济比较,确定采用顺层钻孔瓦斯抽放消除工作面煤层突出危除性。

6.1 顺层钻孔布置

21301工作面运输槽共施工顺层钻孔46个,依据现场地质条件钻孔间距为8～16m,平均孔深约70m,孔径为80mm,封孔深度6.5m,较严重突出危险区施工钻孔24个,平均间距5m。顺层钻孔施工完毕后,及时实施封孔,并进行瓦斯抽放,基于煤层封孔的实际,孔口抽放负压一般控制在16kPa左右。

6.2 考察结果与分析

(1)现场试验结果表明,通过合理布置钻孔参数,利用顺层钻孔预抽煤层瓦斯量为 0.81～1.46m3/min,平均单孔抽放量为0.0327m3/min,在整个抽放过程中,抽排瓦斯量较稳定,但抽排瓦斯浓度不高,平均浓度为17%左右,主要是是封孔不严所致。

(2)经过瓦斯抽放,在工作面先期较严重危险区回采时,实际煤层瓦斯预抽率达到31.8%,大于《防治煤与瓦斯突出细则》对于没有实测资料的矿井提出的预抽率参考指标25%,从防突角度,煤层顺层钻孔预抽达到了预期效果。

(3)采取预抽措施后,工作面回采过程中部分检测钻孔瓦斯涌出速度、孔最大钻屑量指标。经检测,预测指标降到了临界值以下,在该区域的回采过程中没有发生突出及明显的瓦斯动力现象,表明工作面通过采取顺层长钻孔瓦斯预抽后,煤层突出危险性基本上消除了。

7 结论

通过对放顶煤工艺特点的分析,对于突出煤层,在用区域性防突措施消除回采煤层的突出危险性后即可实现放顶煤工艺安全回采。同时,在没有保护层开采条件下,顺层钻孔预抽煤层瓦斯是经济、可行的区域性防突措施。

[1] 防治煤与瓦斯突出细则.北京：煤炭工业出版社.1995年3月.

[2] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理示范工程.北京：煤炭工业出版社.2004年4月,P1-15.

[3] 龙祖根.采空区瓦斯涌出量与采面配风量的关系浅析.贵州煤炭,1996年.第2期：P18-22.

[4] 牛全杰.采场压力对瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出的影响.中州煤炭,2000年.第5期：P39-40.