“第三十七屆科技論文交流會(huì)”一等獎(jiǎng)?wù)撐?
“一巷多用”在易自燃高瓦斯突出煤層的實(shí)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(jì)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(shí)施頂板道對(duì)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(jì)效果明顯，可作為同類條件工作面經(jīng)驗(yàn)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(yàn)地點(diǎn)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(yàn)地點(diǎn)為S5-709工作面，位于S5-采區(qū)中北部，工作面走向長(zhǎng)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(hù)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(dòng)，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(yùn)順掘至805m時(shí)實(shí)見F40斷層，斷層走向?yàn)?99°，傾向109°，傾角60°，落差3.20m，斷層控制可靠?；仨樉蛑?80m處實(shí)見一落差0.8m的小斷層。估計(jì)本工作面內(nèi)還會(huì)有小斷層發(fā)育，因其落差小，對(duì)采煤影響不大。
工作面煤層工業(yè)牌號(hào)為不粘煤和長(zhǎng)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(gè)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(jìn)實(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)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(diǎn)。
2.1? 致災(zāi)因素
大興井田為鐵法煤田火成巖活動(dòng)強(qiáng)烈的地帶。侵入巖主要為輝綠巖大面積侵入煤系地層中，對(duì)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(shí)，會(huì)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(duì)煤層進(jìn)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(duì)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(diǎn)幾乎都位于頂板火成巖覆蓋及侵蝕區(qū)，突出點(diǎn)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(qiáng)度降低。同時(shí)，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(diǎn)
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(qiáng)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(qiáng)度較大，這些變化使得采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性增高、瓦斯涌出強(qiáng)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(shí)存在時(shí)，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(duì)S5-709工作面的瓦斯來源進(jìn)行了分析。根據(jù)工作面推進(jìn)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(jìn)度隨回采時(shí)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(jìn)度隨時(shí)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(jìn)，工作面風(fēng)排瓦斯涌出量增大到4.40m3/min，此時(shí)的瓦斯涌出量可以認(rèn)為是本煤層瓦斯涌出量；當(dāng)回采推進(jìn)到15m左右時(shí)，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(shí)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(shí)，上幅煤層落煤瓦斯對(duì)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(shí)設(shè)計(jì)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(shì)能，向采空區(qū)內(nèi)注水進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間的存在且與工作面空間相互貫通，形成一個(gè)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(shí)，瓦斯就會(huì)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(yùn)動(dòng)，致使上隅角附近的瓦斯?jié)舛壬撸瑸椴煽諈^(qū)及上覆巖層裂隙帶瓦斯的流動(dòng)和儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)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(huì)及時(shí)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(yàn)公式計(jì)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(cuò)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(shí)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(hù)區(qū)域時(shí)，工作面瓦斯涌出較大。此時(shí)進(jìn)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，保證了工作面的正常回采。其抽采瓦斯抽采隨推進(jìn)時(shí)間變化曲線見圖4，從頂板瓦斯道抽采統(tǒng)計(jì)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(duì)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(shí)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(diǎn)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行預(yù)防性注水。間隔一個(gè)周期來壓布局在注水管理設(shè)一個(gè)脆性強(qiáng)易折斷的鑄鐵短接，便于隨頂板周期來壓而及時(shí)使管路斷開，保證氧化帶能夠及時(shí)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(duì)于采空區(qū)防火的明顯效果。在鋪網(wǎng)劈幫時(shí)期，考慮到推進(jìn)度降低，為有效控制采空區(qū)漏風(fēng)，對(duì)頂板瓦斯道進(jìn)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(duì)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(shí)施頂板瓦斯道對(duì)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(jì)效果明顯；同時(shí)，條件允許時(shí)也可利用其進(jìn)行掘進(jìn)工作面條帶預(yù)抽瓦斯進(jìn)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(yàn)借鑒。
（1）經(jīng)分源預(yù)測(cè)工作面鄰近層瓦斯涌出量占較大比例時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)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(dá)到合理配風(fēng)，滿足工作面安全經(jīng)濟(jì)開采模式。
（2）在條件允許時(shí)，為了消除煤巷掘進(jìn)時(shí)的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)，也可利用頂板瓦斯道對(duì)煤巷掘進(jìn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的目的。
（3）頂板瓦斯道設(shè)計(jì)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(shí)進(jìn)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(shí)，難免遇到巷道高低不平的地段，這時(shí)應(yīng)考慮積水對(duì)瓦斯抽采的的影響。設(shè)計(jì)時(shí)在有坡度以及坡度變化時(shí)采取如 “鑄鐵短接” 等特殊技術(shù)措施。
（5）利用瓦斯道進(jìn)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(shí)要在加強(qiáng)其他瓦斯治理措施實(shí)施的同時(shí)，加強(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)?
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作者簡(jiǎn)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(jí)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(tuán))有限責(zé)任公司大興煤礦總工程師。曾在各類國家級(jí)刊物上發(fā)表論文多篇。聯(lián)系電話：024-76844192。
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