“一巷多用”在易自燃高瓦斯突出煤層的實踐

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大興礦?? 曲? 寶? 陳志平

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摘? 要：大興煤礦投產(chǎn)以來，一直受瓦斯及煤層自然發(fā)火威脅，尤以7煤層最為嚴(yán)重，其嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)。根據(jù)采空區(qū)“三帶”理論，通過科學(xué)計算，合理確定頂板道布置參數(shù)，并將其應(yīng)用于S5-709工作面。通過數(shù)據(jù)分析，得出實施頂板道對于S5-709工作面瓦斯抽采和防治煤層自燃起到了雙重作用，效果明顯。既提高了瓦斯抽采利用效率，又節(jié)省了其他工程投入，安全、經(jīng)濟效果明顯，可作為同類條件工作面經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：火成巖 ?自然發(fā)火? 頂板瓦斯道? 一巷多用?

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1? 試驗地點概況

大興煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，火成巖侵入嚴(yán)重。試驗地點為S5-709工作面，位于S5-采區(qū)中北部，工作面走向長798m，傾斜寬188m，工作面面積150024㎡。工作面布置見圖1。

圖1 S5-709綜采工作面布置示意圖

工作面北側(cè)為地表村莊受護范圍；東側(cè)為S5-707工作面采空區(qū)，有6m煤柱相隔；西側(cè)S5-711工作面采空區(qū)；南側(cè)為S5-采區(qū)煤柱。工作面上鄰近煤層4-₂層煤，已回采完，4-₂煤層與7-₂煤層間距47～65m，一般為56.16m；工作面下鄰近煤層 9層煤，煤厚1.89m，未采動，9層煤與7-₂煤層間距29～40m，一般為33.33m。工作面地表平坦，南高北低，高程在+68～+72m。地表大部為農(nóng)田地。工作面地表北側(cè)有礦區(qū)鐵路一條，四家子小河一條及煤層氣公司輸送管路一條。

工作面構(gòu)造以單斜為主，煤層產(chǎn)狀310°∠5～8°。工作面運順掘至805m時實見F40斷層，斷層走向為199°，傾向109°，傾角60°，落差3.20m，斷層控制可靠?；仨樉蛑?80m處實見一落差0.8m的小斷層。估計本工作面內(nèi)還會有小斷層發(fā)育，因其落差小，對采煤影響不大。

工作面煤層工業(yè)牌號為不粘煤和長焰煤，以不粘煤為主，煤層厚1.90～6.95m，由于受火成巖侵入影響，工作面走向北側(cè)和南側(cè)煤厚差異較大。北側(cè)因火成巖侵入煤層中間，使7煤層被火成巖一分為二，上部為7-₂上煤層,厚度一般為1.20m左右，大部分為天然焦。下部為7-₂煤層，煤層厚度一般為3.56m左右。南側(cè)煤層較厚，一般為6.00m左右。煤層垂直節(jié)理發(fā)育，走向近東西向。煤層呈暗黑色、黑色，光澤暗淡。煤層自燃發(fā)火期1個月，煤塵爆炸指數(shù)43.38%，煤芯煤樣灰分13.49～28.92%，發(fā)熱量為4300～5500cal/g。本面煤層由于受火成巖侵入影響，靠近火成巖體的煤層有焦化現(xiàn)象，煤層灰分增大，發(fā)熱量減小。

??? 從鉆孔資料及掘進實見看，該區(qū)火成巖侵入比較嚴(yán)重。從火成巖侵入煤層的空間上看，煤層中部及底板都有火成巖侵入，火成巖侵入的平面范圍較大。北側(cè)以巖床為主，侵入在煤層中部，南側(cè)有400m左右不規(guī)則的侵入體，主要發(fā)育于煤層底板?；鸪蓭r進入煤層中部，將7-₂煤層分為上下兩部分。該區(qū)火成巖與南一采區(qū)、S5-采區(qū)西部相連，大面積發(fā)育（見平面圖），對生產(chǎn)影響較大。本區(qū)火成巖侵入的形式以巖床為主，巖墻次之。

2? 災(zāi)害分析

大興煤礦投產(chǎn)以來，一直受瓦斯及煤層自然發(fā)火威脅，嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn)，尤以7煤層最為嚴(yán)重。經(jīng)鑒定7煤層為煤與瓦斯突出煤層、自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃，開采實踐表明煤層具有高瓦斯含量、低透氣性、自燃發(fā)火期短的致災(zāi)特點。

2.1? 致災(zāi)因素

大興井田為鐵法煤田火成巖活動強烈的地帶。侵入巖主要為輝綠巖大面積侵入煤系地層中，對煤系特別是主要煤層影響和破壞較大。巖漿侵入拱起附近的巖體，而形成一系列落差的正斷層發(fā)育。輝綠巖作用在沉積的煤巖層時，會使煤層移位或使煤巖層的連續(xù)性破壞，造成煤層消失、分叉分幅等厚度異常。輝綠巖侵入煤層附近，對煤層進行烘烤產(chǎn)生熱變質(zhì)現(xiàn)象，使煤層變質(zhì)程度增高，使煤層部分變成弱粘煤或不粘煤，鄰近輝綠巖體的煤層部分或全部變成天然焦。由于煤層的不穩(wěn)定賦存狀態(tài)，造成采空區(qū)內(nèi)遺煤較多。火成巖侵入?yún)^(qū)域煤體低溫氧化規(guī)律趨于復(fù)雜化，其對煤體自燃影響較大，使得煤自然發(fā)火更為嚴(yán)重。礦井發(fā)生的突出地點幾乎都位于頂板火成巖覆蓋及侵蝕區(qū)，突出點附近煤層區(qū)域都為熱力變質(zhì)區(qū)，煤層瓦斯壓力及含量增高、煤體強度降低。同時，巖漿侵入造成構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育。開采中瓦斯涌出量異常增大、突出威脅加重。

2.2? 災(zāi)害特點

近年來，大興煤礦生產(chǎn)逐步向高產(chǎn)高效集約化方向發(fā)展，開采強度大、圍巖影響范圍大、采空區(qū)遺煤呈現(xiàn)立體分布、漏風(fēng)強度較大，這些變化使得采空區(qū)遺煤自燃危險性增高、瓦斯涌出強度增加。由于高瓦斯涌出與煤的易自燃性在開采期間的雙重災(zāi)害的壓力，使得煤礦的安全生產(chǎn)矛盾越來越突出。煤層自然發(fā)火一方面影響礦井生產(chǎn)，導(dǎo)致工作面無法開采，另一方面嚴(yán)重威脅礦井安全，尤其是高瓦斯與煤層自然發(fā)火同時存在時，可能引起瓦斯煤塵爆炸，形成重大災(zāi)害事故。即瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素。

3? 瓦斯涌出來源分析

我們利用工作面初次放頂定量分析瓦斯來源的方法^[1]～[2]，對S5-709工作面的瓦斯來源進行了分析。根據(jù)工作面推進過程中的瓦斯涌出數(shù)據(jù)，繪制了風(fēng)排瓦斯涌出量、推進度隨回采時間變化曲線見圖2。

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圖2? S5-709綜采工作面風(fēng)排瓦斯涌出量、推進度隨時間變化曲線

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??? 從圖 2 曲線可以看出，自工作面剛開始形成到開采前，風(fēng)排瓦斯涌出量平均為1.16m³/min，隨著工作面開始向前推進，工作面風(fēng)排瓦斯涌出量增大到4.40m³/min，此時的瓦斯涌出量可以認為是本煤層瓦斯涌出量；當(dāng)回采推進到15m左右時，工作面頂板初次來壓，7-₂煤上幅煤以及距7-₂煤33m左右的下鄰近層9煤等鄰近層瓦斯涌入工作面，工作面風(fēng)排瓦斯涌出量急劇增大，正常開采期間，2～4月S5-709工作面的平均風(fēng)排瓦斯涌出量為12.40m³/min。

從以上分析可以得出，S5-709工作面正常開采期間，工作面平均風(fēng)排瓦斯涌出量為12.40m³/min；本煤層瓦斯涌出量為4.40m³/min，占風(fēng)排瓦斯涌出量的35.5%；鄰近層瓦斯涌出量為8.0m³/min，占風(fēng)排瓦斯涌出量的64.5%。

??? 通過S5-709工作面瓦斯涌出情況來看，本煤層瓦斯涌出占35.5%，鄰近層瓦斯涌出占64.5%。在治理瓦斯時不僅要考慮本煤層瓦斯治理措施，著重要解決鄰近層瓦斯涌出問題，如回采7-₂煤層下幅煤層時，上幅煤層落煤瓦斯對本煤層的影響。

4? “一巷多用”頂板瓦斯道布置

基于瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害的防治，在布置工作面時設(shè)計有頂板瓦斯道，一巷多用，為回采期間的災(zāi)害治理提供了有利條件。S5-709工作面頂板瓦斯道布置方式見圖1、圖3。通過頂板瓦斯道既可用于抽采采空區(qū)瓦斯，并可利用其高于開采面的勢能，向采空區(qū)內(nèi)注水進行采空區(qū)自燃著火預(yù)防。

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圖3? S5-709工作面頂板瓦斯道布置示意圖

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基于“三帶”理論可知，煤層開采后在上覆巖層中形成裂隙，這些裂隙能長時間的存在且與工作面空間相互貫通，形成一個連通的區(qū)域^[3]~[4]。礦井瓦斯氣體中的主要成分為甲烷，當(dāng)采空區(qū)中存在瓦斯時，瓦斯就會上浮，并在風(fēng)流的作用下向上側(cè)的離層裂隙及頂板裂隙帶運動，致使上隅角附近的瓦斯?jié)舛壬?，為采空區(qū)及上覆巖層裂隙帶瓦斯的流動和儲存提供了空間。因此，利用這一特征，將頂板瓦斯道布置在瓦斯?jié)舛雀?、積聚量大、裂隙發(fā)育且長時間保持的區(qū)域。頂板道布置于裂隙帶下邊緣，隨周期來壓會及時斷裂開，既能抽放瓦斯富集區(qū)，又可以注水冷卻濕潤采空區(qū)內(nèi)立體分布的遺留浮煤。

通過經(jīng)驗公式計算，采空區(qū)上方裂隙帶高度作為巷道布置的垂向高度，使巷道布置于裂隙帶的近下邊緣處，且內(nèi)錯于回風(fēng)順槽平距30～50m。在回采前巷道內(nèi)接設(shè)Φ108mm注水專用管路和Φ300mm瓦斯抽采管路，在巷道口充填永久砂帶并外噴砼。

5? 實踐效果分析

5.1? 瓦斯治理效果分析

在S5-709工作面回采期間，尤其是回采未受保護區(qū)域時，工作面瓦斯涌出較大。此時進行瓦斯道抽采（采用Φ300mm高濃管路），有效地解決了上隅角瓦斯超限問題，保證了工作面的正?；夭?。其抽采瓦斯抽采隨推進時間變化曲線見圖4，從頂板瓦斯道抽采統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，2016年2~5月份瓦斯道抽采量較大，抽采純量8.09～9.68m³/min，平均抽采純量為8.53m³/min，即瓦斯道抽采對治理采空區(qū)瓦斯涌出起到了至關(guān)重要的作用。

圖4? 頂板瓦斯道抽采量隨抽采時間變化曲線

為保證瓦斯抽采效果，頂板道一般隨煤層起伏而控制層位間距，在低洼處已形成“水堵區(qū)”，一般采取回采巷道施工疏水鉆孔來疏放低洼點積水，以保持良好抽采效果。

5.2? 預(yù)防采空區(qū)發(fā)火效果分析

S5-709工作面頂板瓦斯道在抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯過程中，也對采空區(qū)進行預(yù)防性注水。間隔一個周期來壓布局在注水管理設(shè)一個脆性強易折斷的鑄鐵短接，便于隨頂板周期來壓而及時使管路斷開，保證氧化帶能夠及時被注水冷卻濕潤。

由圖5可以看出，S5-709綜采面開采后CO涌出量一直處于上升狀態(tài)，在9月1日開始采取頂板瓦斯道注水、注泥措施后，CO涌出量立即開始下降，可見其對于采空區(qū)防火的明顯效果。在鋪網(wǎng)劈幫時期，考慮到推進度降低，為有效控制采空區(qū)漏風(fēng)，對頂板瓦斯道進行了減量抽采，見圖6，可見回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯變化，表明頂板道抽采對于控制采空區(qū)瓦斯作用顯著、穩(wěn)定、可靠。

圖 5　 S5-709采面CO涌出變化曲線

圖 6　 S5-709采面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛入S頂板道抽采量的變化關(guān)系

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6? 頂板瓦斯道技術(shù)應(yīng)用展望

實施頂板瓦斯道對于瓦斯抽采和防治自燃起到了雙重作用，效果明顯。既提高了瓦斯抽采利用效率，又節(jié)省了其他工程的投入，經(jīng)濟效果明顯；同時，條件允許時也可利用其進行掘進工作面條帶預(yù)抽瓦斯進行消突^[5]~[6]，起到“一巷多用”的效果，可作為同類條件工作面經(jīng)驗借鑒。

（1）經(jīng)分源預(yù)測工作面鄰近層瓦斯涌出量占較大比例時，應(yīng)設(shè)計頂板瓦斯道來處理采空區(qū)及鄰近層的瓦斯涌出量，確保工作面瓦斯不超限，并達到合理配風(fēng)，滿足工作面安全經(jīng)濟開采模式。

（2）在條件允許時，為了消除煤巷掘進時的煤與瓦斯突出危險，也可利用頂板瓦斯道對煤巷掘進進行條帶預(yù)抽消突，即從頂板瓦斯道內(nèi)向下施工穿層鉆孔來預(yù)抽瓦斯。相比底板瓦斯道穿層鉆孔消突，可減少鉆孔工程量，可實現(xiàn)快速掘進的目的。

（3）頂板瓦斯道設(shè)計應(yīng)根據(jù)“三帶”理論，使其盡可能地位于裂隙帶內(nèi)，從而可最大限度地抽采鄰近層卸壓瓦斯；根據(jù)已采工作面頂板瓦斯道抽采效果及圍巖層位，及時進行總結(jié)提高，為后續(xù)類似條件的工作面提供借鑒。

（4）頂板瓦斯道沿煤層頂板施工時，難免遇到巷道高低不平的地段，這時應(yīng)考慮積水對瓦斯抽采的的影響。設(shè)計時在有坡度以及坡度變化時采取如 “鑄鐵短接” 等特殊技術(shù)措施。

（5）利用瓦斯道進行灌漿注泥后，由于頂板導(dǎo)通瓦斯的裂隙帶被泥漿封堵，容易造成瓦斯治理效果減弱。此時要在加強其他瓦斯治理措施實施的同時，加強工作面煤壁及頂梁等處瓦斯檢查，防止發(fā)生瓦斯事故。

（6）瓦斯道注水后，要加強受注水影響區(qū)域的頂板管理，防止出現(xiàn)頂板事故。

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參考文獻?

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作者簡介：曲? 寶（1974.01.04-）男，滿族，遼寧本溪桓仁人，在讀碩士研究生，高級工程師，主要從事煤礦安全回采技術(shù)研究和技術(shù)管理工作。1996年畢業(yè)于撫順煤校通風(fēng)與安全專業(yè)，現(xiàn)任鐵法煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司大興煤礦總工程師。曾在各類國家級刊物上發(fā)表論文多篇。聯(lián)系電話：024-76844192。

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