一巷多用在易自燃高瓦斯突出煤层的实践.DOC

1、1 “一巷多用”在易自燃高瓦斯突出煤层的实践 大兴矿 曲 宝 陈志平 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 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 S

2、5-709 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 +

3、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

4、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。2 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

5、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

6、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，

7、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

8、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。 3 024681012141618201-25 1-28 1-312-3 2-6 2-92-12 2-15 2-18 2-21 2-24 2-273-5 3-83-11 3-14 3-20 3-23 3-26 3-294-4 4-74-10 4-13 4-16 4-22 4-25 4-28T ( d )Q(m3/min)020406080100120140160180L(m)风排量推进度图 2 S5-709综采工作

9、面风排瓦斯涌出量、推进度随时间变化曲线 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

10、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

11、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。 图 3 S5-709 工作面 顶板瓦斯道布置示意图 4 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 34。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

12、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 108mm 注水专用管路和 300mm 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 在 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 300mm 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。

13、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， 2016 年 25 月份瓦斯道抽采量较大，抽采纯量 8.09 9.68m3/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。 因 S5-709 工作面着火而封闭024681012142016年1月 2016年3月 2016年6月 2016年9月 2016年12月 2017年3月 2017年6月 2017年9月 2017年12月抽采月份（ mon)抽采纯瓦斯量(m3/min)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

14、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5 虑到推进度降低，为有效控制采空区漏

15、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 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 56，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

16、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。 6 （ 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

17、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。 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

18、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 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。