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鐵法能源有限責(zé)任公司大興煤礦??張基名 ?李廣 ?李生

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摘 ?要：針對大興煤礦強沖擊地壓危險首采面的安全要求，通過分析采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，制定相適應(yīng)的瓦斯抽采技術(shù)?？偨Y(jié)“三巷、兩孔、一埋”瓦斯抽采技術(shù)的抽采效果，分析強沖擊首采面瓦斯抽采技術(shù)的合理性、有效性、差異性。

關(guān)鍵詞：強沖擊 ?瓦斯抽采技術(shù) ?實踐分析

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南二903采煤工作面是大興煤礦首個被鑒定為強沖擊地壓危險的綜采工作面，使大興煤礦在高瓦斯、易自然、突出的三害基礎(chǔ)上，又增加了一害——強沖擊地壓危害。為保證強沖擊地壓危險工作面在采煤期間的人員安全，制定了沖擊地壓預(yù)測預(yù)警、解危卸壓、施工組織調(diào)控、工作面區(qū)域禁員等防控措施，原有設(shè)計的瓦斯抽采技術(shù)將接受沖擊地壓危害的檢驗。

1?南二903工作面概述

1.1 工作面位置與地質(zhì)條件

大興煤礦南二903工作面總面積127554m²，其位于南二采區(qū)中部，一切眼寬178m，走向長度555m；二切眼寬94m，走向長度306m。東鄰南二902工作面采空區(qū)，間隔8m煤柱；西鄰南五905工作面采空區(qū)，間隔8m煤柱；其南部未采動，北部是采區(qū)煤柱。工作面上部7-2煤層，北部未采動，南部為南五717、南五719上采空區(qū)。7-2煤層厚度1～4.6m，平均厚度2.55m；與9煤層間距30～37m，平均層間距32.4m。工作面煤層呈黑色，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，以亮煤為主。

1.2??工作面瓦斯涌出情況

南二九層903區(qū)段煤層瓦斯壓力最大值為620KPa，原始煤層瓦斯含量為6.35m³/t，南二采區(qū)9煤層南二903區(qū)段無煤與瓦斯突出危險，采煤期間瓦斯絕對涌出量實測為41.6m3/min。

1.3??工作面沖擊地壓情況

南二903采煤工作面鄰近三個采空區(qū)，遇見7次“四方”，強沖擊危險區(qū)域分別為回順0-180m、404-585m、555-645m、885-796m；運順0-180m、485-641、788-882m，見圖1。距工作面200m范圍內(nèi)安裝替棚支架，進(jìn)入工作面作業(yè)人員佩戴防沖服裝，工作面生產(chǎn)期間距工作面200m范圍內(nèi)禁員。

圖1?南二903頂板瓦斯道平面圖

2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

2.1 ?采空區(qū)三帶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)采面礦壓數(shù)據(jù)觀測，隨工作面推進(jìn)圍巖應(yīng)力分段有規(guī)律分布，垂向以豎三帶分布，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。平向以橫三區(qū)拓展，即煤壁支撐影響區(qū)，離層區(qū)和重新壓實區(qū)（圖2）。冒落帶以碎塊、巨石不規(guī)則形狀自然安息，存在較大空隙（通常為采厚的3～5倍）；裂隙帶發(fā)生巖石破裂，可導(dǎo)水導(dǎo)氣（采厚的6～10倍）；彎曲下沉帶巖層不再破裂，裂隙發(fā)育程度低。

A—煤壁支撐影響區(qū)（ａ-b）；Ｂ－離層區(qū)（ｂ- c）；Ｃ－重新壓實區(qū)（ｃ- d）

Ⅰ—冒落帶；Ⅱ—裂隙帶；Ⅲ—變曲下沉帶；α—支撐影響角

圖2 采面垂向“豎三帶”分布示意圖

2.2采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

2.2.1采空區(qū)瓦斯來源

煤層既是瓦斯的生成層，又是瓦斯的儲集層。煤層未采動或未受應(yīng)力擾動時，瓦斯在煤體中以吸附和游離狀態(tài)存在，原巖應(yīng)力下基本不流動。一個待采工作面即使放置很長時間，如果不做瓦斯抽采工作，其煤層內(nèi)瓦斯總量也不會有大變化。

一旦受采動壓力影響，煤體產(chǎn)生裂隙，原存瓦斯應(yīng)力平衡受到破壞，瓦斯就會大量涌出（即所謂卸壓瓦斯），沿橫向、縱向裂隙流動，一少部分瓦斯進(jìn)入工作面空間隨風(fēng)流排出（絕對涌出量10%左右），而大部分瓦斯通過裂隙進(jìn)入采空區(qū)（絕對涌出量90%左右）。

煤層瓦斯解吸釋放與煤層應(yīng)力變化有直接關(guān)系：

實驗測得，采煤工作面前、后方承壓分布擬態(tài)如圖3所示，總體上以應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)的形態(tài)分布。工作面前方煤體承壓區(qū)間自工作面前方1～3m起，外延30～40m，拓展至煤壁約100m時發(fā)生變量，距煤壁5～15m為最大應(yīng)力顯現(xiàn)點。

其分布特點是：

（1）采煤工作面前方煤壁一端幾乎支撐著采煤工作空間上方斷裂帶及其上覆巖層大部分重量，即工作面前方支承壓力遠(yuǎn)比后方支承壓力大。

（2）采煤工作面煤壁及采空區(qū)垮落帶是隨著推進(jìn)向前移動的，因而工作面前后方支承壓力也隨著推進(jìn)向前移動。

a—應(yīng)力增高區(qū)；b—應(yīng)力降低區(qū)；c、c’—原巖應(yīng)力區(qū)

圖3??采煤工作面前后方支承壓力的分布示意圖

在工作面煤體最大應(yīng)力顯現(xiàn)點煤體被壓裂，煤層中賦存的瓦斯解吸釋放，然后沿裂隙流動進(jìn)入采空區(qū)。而隨工作面推進(jìn)，支承壓力也隨之前移，煤層瓦斯不斷解吸釋放。

開采煤層附近的上、下鄰近煤層受采動壓力影響，煤層中賦存的瓦斯不斷解吸釋放，透過裂隙涌入開采層。

2.2.2采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

回采工作面采空區(qū)上方存在大量的垂直裂隙和離層裂隙，這些裂隙是瓦斯運移的主要通道和存儲空間。受瓦斯自身比重小特性影響，從煤體中解吸出的瓦斯首先向采空區(qū)頂部運移，并通過覆巖裂隙繼續(xù)向上運移至裂隙帶頂部，在此積聚。通過回采，不斷有瓦斯上移、積聚，猶如向水坑注水一樣。而瓦斯在采空區(qū)內(nèi)呈“倒水坑”形態(tài)積存，由下至上瓦斯?jié)舛仍絹碓礁?，頂部可達(dá)100%（生產(chǎn)實際中個別鉆孔瓦斯?jié)舛?00%，而且流量較大）。

由于呈氣態(tài)存在，瓦斯“坑”積存面與空氣接觸面并無絕對界限，其相互滲透漂移，尤其有氣體流動空間更是如此，所以瓦斯“坑”積存面過低時，有一部分瓦斯會“滲透”到風(fēng)流中，造成風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬仙?。沒有氣體流動或風(fēng)速低的空間內(nèi)，瓦斯就以積存狀態(tài)存在，濃度呈上高下低。瓦斯因自身比重小特性哪高就向哪運移、積存，因此，上行通風(fēng)工作面上隅角和下行通風(fēng)工作面下隅角常常會積聚瓦斯。由浮力作用，采空區(qū)內(nèi)瓦斯積存下平面是水平的。采空區(qū)積存瓦斯空間是一定的，但瓦斯量是隨工作面落煤開采不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定量，如果不抽采或抽采量小于解吸量，瓦斯積存面就會降低至采煤工作面空間，一部分瓦斯就會外溢隨風(fēng)流排出，或積存于風(fēng)速低的工作面高冒處、隅角等地點，造成瓦斯積聚。

3，強沖擊危險首采面瓦斯抽采技術(shù)方案

通過分析南二903采煤工作面瓦斯來源有三種，即開采層落煤瓦斯、開采層采空區(qū)瓦斯和鄰近采空區(qū)瓦斯，南二903強沖擊危險首采面確定采取“三巷、兩孔、一埋”瓦斯抽采技術(shù)方案?！叭铩笔侵富夭蓞^(qū)上部頂板瓦斯道和兩個鄰近采空區(qū)頂板瓦斯道，“兩孔”是指工作面順層卸壓鉆孔、頂板斜交鉆孔，“一埋”是指工作面上隅角埋管。

3.1，三巷抽采技術(shù)

⑴ 南二903頂板瓦斯道

本工作面9煤層上部掘進(jìn)頂板瓦斯道一條，工程量為800m。布置于7-2煤層下部5～10m位置，與回順平距25～50m，與7-2煤層間距7m，斷面4m×2.8m。見圖1。頂板瓦斯道采取一次性封閉，密閉引兩趟直徑300mm抽采管路，抽采南二903采空區(qū)卸壓瓦斯。

⑵ 鄰近采空區(qū)頂板瓦斯道

本工作面東鄰南二902采空區(qū)，布置南二902頂板瓦斯道；西鄰南二905采空區(qū)，布置南二905頂板瓦斯道。

圖4 “三巷”抽采技術(shù)布置圖

南二903工作面的回采將會形成區(qū)域性“三空”同存，見圖4 “三巷”抽采布置圖。冒落及裂隙將三個采空區(qū)聯(lián)通互成氣候相似條件，原已靜止的南二902采空區(qū)、南二905采空區(qū)，瓦斯流被擾動打破靜平衡。按垂向分布南二902采空區(qū)位于南二903采空區(qū)上部，南二905采空區(qū)位于南二903采空區(qū)下部，采動打破鄰近采空區(qū)靜平衡后，南二905采空區(qū)瓦斯將向上部移動和擴散，南二902采空區(qū)瓦斯在富集后溢滿反向南二903采空區(qū)倒流，適量抽采鄰近采空區(qū)頂板瓦斯道，控制其向開采采空區(qū)移動和擴散。

3.2，兩孔抽采技術(shù)

⑴ 順層卸壓鉆孔

工作面前方5～15m范圍內(nèi)受支撐壓力影響煤體破裂，瓦斯解吸釋放，回采前施工的順層鉆孔是抽采煤體卸壓瓦斯的最佳時期，距工作面30m范圍的順層鉆孔可增加負(fù)壓，提高抽采量，減少煤體解吸瓦斯沿裂隙流入采空區(qū)。

⑵ 頂板斜交鉆孔

在采煤工作面回風(fēng)道鉆場內(nèi)向采空區(qū)施工斜交鉆孔，鉆孔終孔位置在裂隙帶內(nèi)，抽采采空區(qū)卸壓瓦斯，見圖5。

圖5 斜交鉆孔布置示意圖

南二903回順的頂板斜交鉆孔主要布置在回順與頂板瓦斯道之間，抽采頂板瓦斯道散漏的瓦斯，使上隅角瓦斯有鉆孔控抽。

3.3，一埋抽采技術(shù)

隨采煤工作面推進(jìn)，在工作面上隅角埋設(shè)管路，進(jìn)入采空區(qū)一定距離進(jìn)行抽采，交替埋設(shè)，保證連續(xù)抽采，見圖6。

圖6??采空區(qū)埋管抽采技術(shù)布置示意圖

4，強沖擊危險首采面瓦斯抽采技術(shù)實踐淺析

4.1，瓦斯抽采技術(shù)的施工組織

⑴ 頂板瓦斯道作為主要、持久、穩(wěn)定的瓦斯治理手段，一次性封閉加嚴(yán)。封閉時埋設(shè)兩趟直徑300mm抽采管路，與回風(fēng)道抽采干管連接，加設(shè)控制閥門，根據(jù)需要定量抽采。

⑵ 順層卸壓鉆孔在距工作面30m范圍內(nèi)抽采負(fù)壓達(dá)到13KPa，及時觀測和系統(tǒng)巡查。出現(xiàn)漏氣積水及時處理，與工作面距離不足一日回采時封堵報廢。

⑶ 南二903工作面為強沖擊危險工作面，距工作面200m范圍內(nèi)生產(chǎn)期間兩順禁止任何人作業(yè)，斜交鉆孔需要連續(xù)施工，因此斜交鉆孔應(yīng)超前工作面200～250m打完。工作面支撐壓力對抽采鉆孔是不利的，過早會導(dǎo)致縮徑、垮塌或斷裂，直接影響斜交鉆孔的抽采效果，為此要求斜交鉆孔下全程套管護(hù)孔，維護(hù)和延遲孔壁破壞。

⑷ 及時按步距埋設(shè)上隅角抽放管，埋管的管口要貼近硬幫頂板，加防護(hù)罩遮擋頂板掉貨，管口進(jìn)入封堵墻后，及時摔斷深部埋管。

4.2，瓦斯抽采技術(shù)實踐應(yīng)用及效果分析

大興煤礦首個強沖擊危險工作面采用的“三巷、兩孔、一埋” 瓦斯抽采技術(shù)是否得當(dāng)，應(yīng)從瓦斯抽采量、風(fēng)排瓦斯量、上隅角及工作面瓦斯?jié)舛热齻€方面進(jìn)行考量分析。

一般來說瓦斯抽采量越高，占工作面涌出量比率越大，風(fēng)排瓦斯量越小，上隅角及工作面瓦斯?jié)舛仍降停荚u效果越好，反之考評效果越差。

南二903工作面從回采到結(jié)束瓦斯抽采數(shù)據(jù)觀測是連續(xù)的，從數(shù)據(jù)堆棧中擇選4天的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1所示：

表1?大興煤礦南二903工作面瓦斯抽采技術(shù)瓦斯抽采數(shù)據(jù)表

?圖7 瓦斯抽采流量變化趨勢圖

圖8?瓦斯抽采流量占比圖

分析結(jié)論：

⑴ 三巷抽采即南二903頂板瓦斯道、南二902頂板瓦斯道、南二905頂板瓦斯道，其中南二903頂板瓦斯道平均抽采瓦斯量為39.93m³/min，抽采瓦斯?jié)舛?/span>25～46%，約占工作面瓦斯涌出量達(dá)51%以上，瓦斯?jié)舛扰c瓦斯量有區(qū)間性變化，見圖7、圖8。

分析原因是：大面頂板瓦斯道與回順平距一致，抽采量持穩(wěn)，上隅角瓦斯控制較好；小面頂板瓦斯道與回順平距沿回順方向漸寬，抽采量穩(wěn)中有變，上隅角瓦斯趨向增高。其鄰近工作面的頂板瓦斯道（南二902、905頂板瓦斯道）平均抽采瓦斯流量9.92 m³/min，瓦斯?jié)舛仍?/span>80～100%，大約占工作面瓦斯涌出量25%以上。三巷抽采技術(shù)中抽采瓦斯量一般為30.54 m³/min，是瓦斯治理主導(dǎo)措施，在實踐中確實起到了關(guān)鍵作用。頂板瓦斯道設(shè)計應(yīng)與回順等距，不等距對抽采有一定影響。

⑵ 兩孔抽采，其中斜交鉆孔平均抽采瓦斯量2.82 m³/min，瓦斯?jié)舛?/span>2～75%，一般占工作面涌出量7%，順層卸壓鉆孔平均抽采瓦斯量0.66 m³/min，瓦斯?jié)舛?/span>1～9%，基本上占工作面涌出量2%左右。從實際分析，頂板斜交鉆孔抽采效果較差，鉆孔濃度低，抽采量小，鉆孔通透性差。

分析原因是：鉆孔超前200 m施工，采取的全程套管護(hù)孔措施護(hù)孔材料強度不足以抵抗超前支撐壓力。

小面回采自160m至采止線段，為了既要適應(yīng)采煤期間回順禁員，又要保證斜交鉆孔的有序施工，調(diào)整勞動組織時間，采取白班4時20分到礦入井，趕到零點班采煤機停產(chǎn)進(jìn)入回順200m范圍內(nèi)打鉆施工。通過鉆孔施工和數(shù)據(jù)觀測，單孔瓦斯?jié)舛?/span>40～80%，單孔瓦斯混量5.45～13.61 m³/min。該數(shù)據(jù)表明工作面支撐壓力對斜交鉆孔確有影響。

⑶ 一埋抽采，平均抽采量為1.85 m³/min，抽采瓦斯?jié)舛?/span>1～3%，占工作面抽采比率為5%。埋管作為瓦斯抽采的末端治理手段，選擇合理埋設(shè)管頭步距至關(guān)重要，從本工作面來看步距15～20m較為合理。

5，結(jié)束語

南二903強沖擊危險首采工作面是以三巷抽采技術(shù)為主導(dǎo)，兩孔抽采技術(shù)為輔，一埋抽采技術(shù)為末的綜合瓦斯治理抽采技術(shù)，從實際考評來看，總體上是合理的、有成效的。三巷瓦斯抽采技術(shù)規(guī)避了強沖擊危險對人的安全威脅，以超前、持穩(wěn)的方式治理瓦斯。兩孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)充分考慮工作面支撐壓力帶來的縮徑、塌孔問題，調(diào)整勞動組織是一種方式，研究護(hù)孔工藝作為另一種積極策略。

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作者簡介?張基名（1967年-），男，高級工程師職稱。1999年12月31日遼寧工程技術(shù)大學(xué)通風(fēng)與安全專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任職大興煤礦抽采一隊擔(dān)任技術(shù)主管。聯(lián)系電話：辦公電話76844125-8100，移動電話13464159206。