“第三十七届科技论文交流会”一等奖论文2

“一巷多用”在易自燃高瓦斯突出煤层的实践

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大兴矿?? 曲? 宝? 陈志平

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摘? 要:大兴煤矿投产以来,一直受瓦斯及煤层自然发火威胁,尤以7煤层最为严重,其严重制约着矿井安全生产。根据采空区“三带”理论,通过科学计算,合理确定顶板道布置参数,并将其应用于S5-709工作面。通过数据分析,得出实施顶板道对于S5-709工作面瓦斯抽采和防治煤层自燃起到了双重作用,效果明显。既提高了瓦斯抽采利用效率,又节省了其他工程投入,安全、经济效果明显,可作为同类条件工作面经验借鉴。

关键词:火成岩 ?自然发火? 顶板瓦斯道? 一巷多用?

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1? 试验地点概况

大兴煤矿地质构造复杂,火成岩侵入严重。试验地点为S5-709工作面,位于S5-采区中北部,工作面走向长798m,倾斜宽188m,工作面面积150024㎡。工作面布置见图1。

图1 S5-709综采工作面布置示意图

工作面北侧为地表村庄受护范围;东侧为S5-707工作面采空区,有6m煤柱相隔;西侧S5-711工作面采空区;南侧为S5-采区煤柱。工作面上邻近煤层4-2层煤,已回采完,4-2煤层与7-2煤层间距47~65m,一般为56.16m;工作面下邻近煤层 9层煤,煤厚1.89m,未采动,9层煤与7-2煤层间距29~40m,一般为33.33m。工作面地表平坦,南高北低,高程在+68~+72m。地表大部为农田地。工作面地表北侧有矿区铁路一条,四家子小河一条及煤层气公司输送管路一条。

工作面构造以单斜为主,煤层产状310°∠5~8°。工作面运顺掘至805m时实见F40断层,断层走向为199°,倾向109°,倾角60°,落差3.20m,断层控制可靠。回顺掘至380m处实见一落差0.8m的小断层。估计本工作面内还会有小断层发育,因其落差小,对采煤影响不大。

工作面煤层工业牌号为不粘煤和长焰煤,以不粘煤为主,煤层厚1.90~6.95m,由于受火成岩侵入影响,工作面走向北侧和南侧煤厚差异较大。北侧因火成岩侵入煤层中间,使7煤层被火成岩一分为二,上部为7-2上煤层,厚度一般为1.20m左右,大部分为天然焦。下部为7-2煤层,煤层厚度一般为3.56m左右。南侧煤层较厚,一般为6.00m左右。煤层垂直节理发育,走向近东西向。煤层呈暗黑色、黑色,光泽暗淡。煤层自燃发火期1个月,煤尘爆炸指数43.38%,煤芯煤样灰分13.49~28.92%,发热量为4300~5500cal/g。本面煤层由于受火成岩侵入影响,靠近火成岩体的煤层有焦化现象,煤层灰分增大,发热量减小。

??? 从钻孔资料及掘进实见看,该区火成岩侵入比较严重。从火成岩侵入煤层的空间上看,煤层中部及底板都有火成岩侵入,火成岩侵入的平面范围较大。北侧以岩床为主,侵入在煤层中部,南侧有400m左右不规则的侵入体,主要发育于煤层底板。火成岩进入煤层中部,将7-2煤层分为上下两部分。该区火成岩与南一采区、S5-采区西部相连,大面积发育(见平面图),对生产影响较大。本区火成岩侵入的形式以岩床为主,岩墙次之。

2? 灾害分析

大兴煤矿投产以来,一直受瓦斯及煤层自然发火威胁,严重制约着矿井的安全生产,尤以7煤层最为严重。经鉴定7煤层为煤与瓦斯突出煤层、自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃,开采实践表明煤层具有高瓦斯含量、低透气性、自燃发火期短的致灾特点。

2.1? 致灾因素

大兴井田为铁法煤田火成岩活动强烈的地带。侵入岩主要为辉绿岩大面积侵入煤系地层中,对煤系特别是主要煤层影响和破坏较大。岩浆侵入拱起附近的岩体,而形成一系列落差的正断层发育。辉绿岩作用在沉积的煤岩层时,会使煤层移位或使煤岩层的连续性破坏,造成煤层消失、分叉分幅等厚度异常。辉绿岩侵入煤层附近,对煤层进行烘烤产生热变质现象,使煤层变质程度增高,使煤层部分变成弱粘煤或不粘煤,邻近辉绿岩体的煤层部分或全部变成天然焦。由于煤层的不稳定赋存状态,造成采空区内遗煤较多。火成岩侵入区域煤体低温氧化规律趋于复杂化,其对煤体自燃影响较大,使得煤自然发火更为严重。矿井发生的突出地点几乎都位于顶板火成岩覆盖及侵蚀区,突出点附近煤层区域都为热力变质区,煤层瓦斯压力及含量增高、煤体强度降低。同时,岩浆侵入造成构造应力发育。开采中瓦斯涌出量异常增大、突出威胁加重。

2.2? 灾害特点

近年来,大兴煤矿生产逐步向高产高效集约化方向发展,开采强度大、围岩影响范围大、采空区遗煤呈现立体分布、漏风强度较大,这些变化使得采空区遗煤自燃危险性增高、瓦斯涌出强度增加。由于高瓦斯涌出与煤的易自燃性在开采期间的双重灾害的压力,使得煤矿的安全生产矛盾越来越突出。煤层自然发火一方面影响矿井生产,导致工作面无法开采,另一方面严重威胁矿井安全,尤其是高瓦斯与煤层自然发火同时存在时,可能引起瓦斯煤尘爆炸,形成重大灾害事故。即瓦斯与自然发火共生灾害已成为威胁矿井安全生产的重要因素。

3? 瓦斯涌出来源分析

我们利用工作面初次放顶定量分析瓦斯来源的方法[1]~[2],对S5-709工作面的瓦斯来源进行了分析。根据工作面推进过程中的瓦斯涌出数据,绘制了风排瓦斯涌出量、推进度随回采时间变化曲线见图2。

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图2? S5-709综采工作面风排瓦斯涌出量、推进度随时间变化曲线

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??? 从图 2 曲线可以看出,自工作面刚开始形成到开采前,风排瓦斯涌出量平均为1.16m3/min,随着工作面开始向前推进,工作面风排瓦斯涌出量增大到4.40m3/min,此时的瓦斯涌出量可以认为是本煤层瓦斯涌出量;当回采推进到15m左右时,工作面顶板初次来压,7-2煤上幅煤以及距7-2煤33m左右的下邻近层9煤等邻近层瓦斯涌入工作面,工作面风排瓦斯涌出量急剧增大,正常开采期间,2~4月S5-709工作面的平均风排瓦斯涌出量为12.40m3/min。

从以上分析可以得出,S5-709工作面正常开采期间,工作面平均风排瓦斯涌出量为12.40m3/min;本煤层瓦斯涌出量为4.40m3/min,占风排瓦斯涌出量的35.5%;邻近层瓦斯涌出量为8.0m3/min,占风排瓦斯涌出量的64.5%。

??? 通过S5-709工作面瓦斯涌出情况来看,本煤层瓦斯涌出占35.5%,邻近层瓦斯涌出占64.5%。在治理瓦斯时不仅要考虑本煤层瓦斯治理措施,着重要解决邻近层瓦斯涌出问题,如回采7-2煤层下幅煤层时,上幅煤层落煤瓦斯对本煤层的影响。

4? “一巷多用”顶板瓦斯道布置

基于瓦斯与自然发火共生灾害的防治,在布置工作面时设计有顶板瓦斯道,一巷多用,为回采期间的灾害治理提供了有利条件。S5-709工作面顶板瓦斯道布置方式见图1、图3。通过顶板瓦斯道既可用于抽采采空区瓦斯,并可利用其高于开采面的势能,向采空区内注水进行采空区自燃着火预防。

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图3? S5-709工作面顶板瓦斯道布置示意图

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基于“三带”理论可知,煤层开采后在上覆岩层中形成裂隙,这些裂隙能长时间的存在且与工作面空间相互贯通,形成一个连通的区域[3]~[4]。矿井瓦斯气体中的主要成分为甲烷,当采空区中存在瓦斯时,瓦斯就会上浮,并在风流的作用下向上侧的离层裂隙及顶板裂隙带运动,致使上隅角附近的瓦斯浓度升高,为采空区及上覆岩层裂隙带瓦斯的流动和储存提供了空间。因此,利用这一特征,将顶板瓦斯道布置在瓦斯浓度高、积聚量大、裂隙发育且长时间保持的区域。顶板道布置于裂隙带下边缘,随周期来压会及时断裂开,既能抽放瓦斯富集区,又可以注水冷却湿润采空区内立体分布的遗留浮煤。

通过经验公式计算,采空区上方裂隙带高度作为巷道布置的垂向高度,使巷道布置于裂隙带的近下边缘处,且内错于回风顺槽平距30~50m。在回采前巷道内接设Φ108mm注水专用管路和Φ300mm瓦斯抽采管路,在巷道口充填永久砂带并外喷砼。

5? 实践效果分析

5.1? 瓦斯治理效果分析

S5-709工作面回采期间,尤其是回采未受保护区域时,工作面瓦斯涌出较大。此时进行瓦斯道抽采(采用Φ300mm高浓管路),有效地解决了上隅角瓦斯超限问题,保证了工作面的正常回采。其抽采瓦斯抽采随推进时间变化曲线见图4,从顶板瓦斯道抽采统计数据来看,20162~5月份瓦斯道抽采量较大,抽采纯量8.099.68m3/min,平均抽采纯量为8.53m3/min,即瓦斯道抽采对治理采空区瓦斯涌出起到了至关重要的作用。

图4? 顶板瓦斯道抽采量随抽采时间变化曲线

为保证瓦斯抽采效果,顶板道一般随煤层起伏而控制层位间距,在低洼处已形成“水堵区”,一般采取回采巷道施工疏水钻孔来疏放低洼点积水,以保持良好抽采效果。

5.2? 预防采空区发火效果分析

S5-709工作面顶板瓦斯道在抽采采空区内瓦斯过程中,也对采空区进行预防性注水。间隔一个周期来压布局在注水管理设一个脆性强易折断的铸铁短接,便于随顶板周期来压而及时使管路断开,保证氧化带能够及时被注水冷却湿润。

由图5可以看出,S5-709综采面开采后CO涌出量一直处于上升状态,在9月1日开始采取顶板瓦斯道注水、注泥措施后,CO涌出量立即开始下降,可见其对于采空区防火的明显效果。在铺网劈帮时期,考虑到推进度降低,为有效控制采空区漏风,对顶板瓦斯道进行了减量抽采,见图6,可见回风流瓦斯浓度出现明显变化,表明顶板道抽采对于控制采空区瓦斯作用显著、稳定、可靠。

图 5  S5-709采面CO涌出变化曲线

图 6  S5-709采面回风流瓦斯浓度随顶板道抽采量的变化关系

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6? 顶板瓦斯道技术应用展望

实施顶板瓦斯道对于瓦斯抽采和防治自燃起到了双重作用,效果明显。既提高了瓦斯抽采利用效率,又节省了其他工程的投入,经济效果明显;同时,条件允许时也可利用其进行掘进工作面条带预抽瓦斯进行消突[5]~[6],起到“一巷多用”的效果,可作为同类条件工作面经验借鉴。

(1)经分源预测工作面邻近层瓦斯涌出量占较大比例时,应设计顶板瓦斯道来处理采空区及邻近层的瓦斯涌出量,确保工作面瓦斯不超限,并达到合理配风,满足工作面安全经济开采模式。

(2)在条件允许时,为了消除煤巷掘进时的煤与瓦斯突出危险,也可利用顶板瓦斯道对煤巷掘进进行条带预抽消突,即从顶板瓦斯道内向下施工穿层钻孔来预抽瓦斯。相比底板瓦斯道穿层钻孔消突,可减少钻孔工程量,可实现快速掘进的目的。

(3)顶板瓦斯道设计应根据“三带”理论,使其尽可能地位于裂隙带内,从而可最大限度地抽采邻近层卸压瓦斯;根据已采工作面顶板瓦斯道抽采效果及围岩层位,及时进行总结提高,为后续类似条件的工作面提供借鉴。

(4)顶板瓦斯道沿煤层顶板施工时,难免遇到巷道高低不平的地段,这时应考虑积水对瓦斯抽采的的影响。设计时在有坡度以及坡度变化时采取如 “铸铁短接” 等特殊技术措施。

(5)利用瓦斯道进行灌浆注泥后,由于顶板导通瓦斯的裂隙带被泥浆封堵,容易造成瓦斯治理效果减弱。此时要在加强其他瓦斯治理措施实施的同时,加强工作面煤壁及顶梁等处瓦斯检查,防止发生瓦斯事故。

(6)瓦斯道注水后,要加强受注水影响区域的顶板管理,防止出现顶板事故。

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参考文献?

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.2

[2] 孙波,王福厚,徐华礼.利用工作面初次放顶定量分析瓦斯来源[J].煤矿安全,2003.06

[3] 曲宝,张基名.大兴矿煤层群开采顶板瓦斯巷应用研究[J].煤矿安全,2017(9):134-136.

[4] 曲宝.薄煤层工作面瓦斯治理关键技术[J].煤矿安全,2017(5):89-91.

[5] 戚新红,李晓华等.高位巷瓦斯抽采技术在松河矿井的应用分析[J].煤矿开采,2012.8

[6] 王林,王兆丰等.采用顶板走向高位巷治理综放面采空区瓦斯技术实践[J].能源技术与管理,2010.6

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作者简介:曲? 宝(1974.01.04-)男,满族,辽宁本溪桓仁人,在读硕士研究生,高级工程师,主要从事煤矿安全回采技术研究和技术管理工作。1996年毕业于抚顺煤校通风与安全专业,现任铁法煤业(集团)有限责任公司大兴煤矿总工程师。曾在各类国家级刊物上发表论文多篇。联系电话:024-76844192。

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