碾焉煤矿8101工作面顶板瓦斯异常涌出分析

刘慧志

(1.山西省煤炭工业厅 煤炭资源地质局， 山西 太原 030045；2.山西省煤炭工业厅 综合测试中心， 山西 太原 030045)

瓦斯主要赋存于煤体的孔隙中，以游离态和吸附态两种形式存在，吸附态瓦斯占到75% 以上，当煤层的压力降低，吸附态瓦斯转化为游离态瓦斯，快速向采掘作业巷道释放[1]. 瓦斯的突然释放造成工作面瓦斯超限事故，制约煤矿的安全生产。

碾焉煤矿8101工作面在初次来压之后瓦斯突然异常增大，为此，本文在对煤层瓦斯含量实测的基础上对顶板石灰岩瓦斯异常涌出进行分析，并采取有效的瓦斯防治措施以确保矿井安全生产。

1 概 况

1.1 矿井基本情况

碾焉煤矿位于山西省柳林县城北直距19 km处王家沟乡碾焉村，该矿于2010年12月22日开始基建，2015年3月1日进入联合试运转，2015年8月7日至8日进行了竣工验收，井田面积为5.101 7 km2，矿井生产能力90万t/年，现为生产矿井，开采8号煤层，开采标高由+880 m至+480 m，矿井通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式。矿井通风系统为两进一回，即主斜井和副立井进风，回风立井回风。2020年之前开采4号煤层，瓦斯涌出一直较低，为低瓦斯矿井，之后延深到8号煤层，8101工作面回采一段时间后瓦斯突然异常增大，升级为高瓦斯矿井。其西北部相邻的西坡矿井为高瓦斯矿井，东部、南部、西南部、东北侧的相邻矿井均为低瓦斯矿井；本井田走向北东、倾向北西的单斜，地层倾角较平缓，在2°～8°，在单斜基础上，井田东南部发育2条褶曲，褶曲起伏不大，井田内目前发现11条断层，揭露的断层落差小于5 m，无岩浆活动，该矿地质构造复杂程度类型为简单类型。井田内8号煤层位于太原组中下部，煤层厚度2.00～3.10 m，平均2.65 m，含0～2层夹矸，结构简单～较简单，其顶板为石灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩，为稳定的全区可采煤层，煤种为焦煤。

1.2 8101工作面基本情况

8101工作面位于整个井田的西北部边界，采用综合机械化一次采全高采煤工艺，后退式回采，全部垮落法管理顶板。工作面长度为150 m，工作面回采率为95%，煤容重1.39 t/m3，8号煤层埋藏深度在150～330 m；8101工作面西部为井田边界；东部为8102胶带顺槽掘进，8101回采工作面初采时绝对瓦斯涌出量为1.00 m3/min；8101回采面初次来压之后瓦斯突然异常增大，绝对瓦斯涌出量最大达到43.00 m3/min. 8101工作面布置图见图1.

图1 8101巷道位置图

2 瓦斯异常涌出分析

2.1 瓦斯来源分析研究

瓦斯主要以游离态瓦斯和吸附态瓦斯存在，煤层对瓦斯有很强的吸附性，岩石对瓦斯基本无吸附作用，但瓦斯可以以游离态存在于煤岩裂隙、孔隙中。在原岩应力状态下，煤层自生成以来一直处于吸附、解吸的平衡状态，在顶板岩层与煤层间出现裂隙，煤体的应力释放和膨胀变形导致煤层中的瓦斯向顶板岩层和煤层的裂隙中积聚[2]. 且岩层内含有的水能够溶解大量瓦斯。在采掘活动作用下， 随着煤层的回采，应力发生变化，顶板垮落产生的裂隙通道造成游离瓦斯快速释放到工作面巷道或工作面采空区内造成回采面瓦斯异常增大。

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矿为高瓦斯矿井，井田西部已经采空，东部为8102胶带顺槽掘进，收集分析了8101工作面巷道掘进期间和8102胶带顺槽掘进时期瓦斯涌出资料，瓦斯均较小没有瓦斯异常涌出情况。8101回采工作面底板标高在510～550 m，埋深变化不大，在300～330 m，实测8101、8102工作面瓦斯含量为3.00～4.00 m3/t，计算工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.37 m3/min. 因此，本煤层瓦斯涌出不是造成瓦斯涌出量增大的原因。

根据调查，瓦斯涌出主要来源于采空区，煤层瓦斯含量不大，考虑是上下邻近层瓦斯的涌出。上邻近层只有4号煤层可采，4号煤层一直是低瓦斯矿井，瓦斯涌出较小，瓦斯涌出突然增加到43.00 m3/min，断定回采面采空区顶板自然垮落形成裂隙，导致大量游离瓦斯的涌出，造成工作面瓦斯涌出突然骤增的现象。

根据煤矿地质资料，8号煤层位于石炭系上统太原组(C3t)，为本区主要含煤地层之一，岩性主要为黑色泥岩、砂质泥岩、中粗粒砂岩、灰色石灰岩及煤层。8号煤层顶板为致密的灰岩，灰岩上方为砂质泥岩，属于致密、透气性差的岩层，不利于瓦斯的释放。8101回采面初次来压之后顶板自然垮落形成裂隙，造成石灰岩内的游离瓦斯随着裂隙进入回采面巷道内和回采面采空区内。

3 顶板石灰岩内瓦斯涌出的治理

在8101工作面回风巷内布置抽采钻场，在每个抽采钻场内布置4个高位抽采钻孔，钻孔打至8号煤层上部的灰岩顶板终孔。经连接抽放管抽采，8101抽放管的抽放量维持在35.00 m3/min以上，回采面回风巷内的瓦斯在3.00 m3/min以下，抽采前后瓦斯涌出量对比见图2. 采用顶板走向钻孔进行工作面回采期间的瓦斯抽采，能够有效地治理8101工作面回采期间顶板石灰岩裂隙中的瓦斯涌出。

图2 抽采前后瓦斯涌出量对比图

4 结 语

对于煤层瓦斯含量较小，顶板瓦斯涌出量特别大的情况，认为顶板石灰岩内具有大量游离瓦斯包，回采面顶板垮落形成的大量裂隙，为瓦斯流向回采面提供了通道。分析8101回采面瓦斯突变涌出的原因，为碾焉煤矿今后对顶板石灰岩瓦斯涌出提供了瓦斯治理的依据。

应用顶板高位走向钻孔抽采回采工作面顶板灰岩裂隙瓦斯，降低了巷道内瓦斯浓度和瓦斯涌出量；且抽采量连续、抽采时间长、抽采效率高，解决了瓦斯涌出量大带来的安全隐患。