高突煤层超大综采工作面瓦斯治理研究与实施
中国西部科技２００９年４月（中旬）第０８卷第１１期 总 第１７２期高突煤层超大综采工作面瓦斯治理研究与实施张海生 张建军 李 强（河南省平顶山平煤集团六矿，河南 平顶山 ４６７０９１） 摘 要：本文通过对平煤集团六矿丁５、６－２２１８０综采工作面的瓦斯涌出量和特性进行了详细的分析，并提出了具有针对性的瓦斯治理措施，取得了良好的效果，值得具有相同生产条件的综采工作面治理瓦斯进行借鉴。 关键词：高突煤层；综采工作面；瓦斯治理 Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ Ｇｏｖｅｒｎｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｔｈｉｃｋ Ｌａｒｇｅ Ｆｕｌｌｙ Ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｆａｃｅ ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｊｕｎ， ＬＩ Ｑｉａｎｇ （Ｓｉｘｔｈ Ｃｏａｌｍｉｎｅ ｏｆ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ ｉｎ Ｈｅｎａｎ，Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｈｅｎａｎ ４６７０９１） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇａｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｆａｃｅ ｗｈｉｃｈ ｏｎ ｓｉｘｔｈ ｃｏａｌｍｉｎｅ，Ｄｉｎｇ－２２１８０ ｏｆ Ｐｉｎｇｄｉｎｇｓｈａｎ Ｃｏａｌ Ｇｒｏｕｐ，ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｇａｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｏｌｉｃｉｅｓ ｈａｖｅ ｃｏｍｅ ｏｕｔ ａｎｄ ｇｅｔ ｇｏｒｇｅｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅｓｅ ｐｏｌｉｃｉｅｓ ａｌｓｏ ｆｉｔ ｔｈｅ ｇａｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｆａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｈｉｇｈ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ；Ｆｕｌｌｙ ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ ｆａｃｅ；Ｇａｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ１工作面概况 丁 ５、６－２２１８０综采工作面位于平煤集团六矿的二水平丁二采区，地面标高为３３０～２７０ｍ，工作为面标高为－５６１～－ ４９６ｍ，走向长为３４００ｍ，倾斜长度里段为２６８ｍ（走向长为 ９４０ｍ） ， 外 段 为 １８０ｍ（走 向 长 为 ２４６０ｍ）。 上 部 为 丁 ５、 ６－ ２２１６０采面采空区，下部为丁５、 ６ －２２２００采面采空区，东部 为丁二下山保护煤柱，西部为五矿和六矿的边界。煤层走 向为ＮＥ１０８°，倾向为Ｎ１８°Ｅ，倾角为６°～１９°／１１°。工 作面掘进时打钻有夹钻现象，不时有煤炮声；瓦斯涌出量 较大，有突出征兆。工作面通风方式为Ｕ型通风，瓦斯相对 涌出量４．０１ｍ ／ｔ，绝对瓦斯涌出量１１～１４ｍ ／ｍｉｎ，地温为 ３０～３４℃，自然发火期为３～６个月，属高温、高瓦斯突出 工作面。 ２ 瓦斯来源分析 该工作面的上下方均为已回采的工作面，掘进时没有邻 近层瓦斯涌出现象，瓦斯来源主要为本煤层瓦斯，可分为： ①煤壁瓦斯涌出；②落煤瓦斯涌出；③采空区（表现在上隅 角）瓦斯涌出。对瓦斯来源分析，有助于分源治理。 ３ 瓦斯涌出量和特性 根据对生产过程中瓦斯涌出量的实测，煤壁为４～ ６ｍ ／ｍｉｎ，落煤时为２～３ｍ ／ｍｉｎ，上隅角为５～６ｍ ／ｍｉｎ，其它 为１～２ｍ ／ｍｉｎ，涌出总量为１２～１８ｍ ／ｍｉｎ。从实测的涌出量 可以看出，煤壁和上隅角的瓦斯涌出量较大，分别占总涌 出量的３３．３％和４１．７％，而落煤占１６．７％，其它占８．３％。 （１）煤壁瓦斯涌出。煤壁瓦斯涌出：由于丁组煤层透 气性较差，煤壁瓦斯涌出量较为稳定，波动不大，受外界 影响不大。测定结果表明：煤壁瓦斯涌出量基本是收稿日期： ２００９－０３－０７ 修回日期：２００９－０４－０６３ ３ ３ ３ ３ ３ ３５ｍ ／ｍｉｎ左右。 （２）落煤瓦斯涌出。以现场实测割煤时瓦斯涌出数据 的平均值减去煤壁瓦斯，得落煤时瓦斯。计算得瓦斯浓度 增加０．１６％，瓦斯涌出量为１．５４ｍ３ ／ｍｉｎ。考虑割煤时瓦斯涌 出的不均衡性，按多次遥测资料计算，集中系数为１．３～ １．５， 采 用 １．５计 算 。 按 统 计 资 料 计 算 落 煤 瓦 斯 为 ４．４ｍ ／ｍｉｎ。 （３）采空区瓦斯涌出。测试结果表明，采空区瓦斯浓 度分布和采空区瓦斯运移具有以下规律：①采空区瓦斯在 距工作面切眼１～１２ｍ范围内浓度变化较小，一般在３％～ ８％之间；在１２～２０ｍ范围内瓦斯浓度变化幅度较大，一般在 １０％～１８％；在２０～４０ｍ范围内瓦斯浓度升高较快，一般在 ２０％～３５％；在４０～６０ｍ范围内瓦斯浓度变化较小，一般在 ３５％～５０％之间。②采空区瓦斯流动大体可划分为三个带， 图１所示。３３图１采空区瓦斯涌出三带划分作者简介： 张海生（１９７９－），男，本科，现任平煤集团公司六矿综采一队副队长。24
高突煤层超大综采工作面瓦斯治理研究与实施
开 发 应 用Ⅰ涌出带（距切眼０～２０ｍ范围内）、Ⅱ过渡带（距切 眼２０～４０ｍ范围内）和Ⅲ滞留带（距切眼４０ｍ以外）。在涌出 带内，采空区丢煤瓦斯向工作面和采空区排放，进入涌出带 的瓦斯流动较快，多以层流形式存在，且这部分瓦斯几乎全 部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内；随着工 作面推进，采空区进入过渡带，过渡带的瓦斯在工作面和采 空区压差作用下，一部分进入工作面，另一部分暂时或滞留 在采空区内，该区域瓦斯流动速度也明显下降，流动呈现出 不均衡性，处于层、紊交错阶段；而进入滞留带时，释放采 空区的瓦斯一般滞留在采空区的深部，流动速度较低。上述 三个带不是固定不变的，随着工作面的推进向前移动，采空 区瓦斯涌出三带出现“浪涌”现象。上隅角瓦斯来自于采空 区：即采空区内残存煤量继续涌出的瓦斯。工作面风流通过 机巷正前方和下部支架间漏入到采空区，回风侧由于工作面 风巷的负压作用，采空区风流从工作面上隅角往外流出，工 作面上下沿切顶线附近风流产生由下而上的流动，进而形成 采空区风流流动，这种流动使采空区瓦斯不断渗入到切顶线 附近这个风流中，并形成高浓度瓦斯风流，到上隅角积聚， 同时往外涌出。 实测上隅角最大瓦斯涌出量８．６５ｍ３ ／ｍｉｎ （短时间），最 小０．３ｍ ／ｍｉｎ，便携式瓦斯检测仪量得最大值５．４％，最小值 ２．７％、经常超过１％ 。而该处又是做机尾的主要工作地点， 而且是机械运转部位（运输机尾传动位置），直接威胁着 安全生产。 ４ 工作面瓦斯涌出总量 根据煤壁、落煤及采空区瓦斯涌出量大小，综合计算工 作面瓦斯涌出量为１２ 。各部分瓦斯涌出量变化如图２所示。３因此在此区域内实施瓦斯抽放，可显著提高抽放效率，降 低开采时瓦斯涌出量，防止发生煤与瓦斯突出。 （２）立体抽放布置。鉴于以上分析，拟采用立体抽 放，解决煤层瓦斯和上隅角瓦斯。所谓的立体抽放即是： 本煤层超前预抽、采面浅孔抽放、上隅角抽放，抽放在不 同空间位置同时进行抽放。 ①立体抽放管路布置：风巷下帮布置两趟（分别为本煤 层采前预抽和采面浅孔抽放）、机巷上帮布置一趟（本煤层 采前预抽）专用瓦斯抽放管路，管径Φ３００ｍｍ。上隅角两趟 抽放管路为６寸脉吸管，通过三通与采面浅孔抽放主管路相 连；采面浅孔抽放通过封孔器、１寸软管、三通与采面浅孔 抽放主管路相连；风机两巷本煤层预抽通过１寸软管与主管 道相连。利用丁二抽放站２ＢＥＣ－４２型抽放泵进行瓦斯抽放， １＃泵抽放上隅角和本煤层，２＃泵抽放浅孔，３＃泵备用。 ②钻孔施工：据测定，丁组煤层的瓦斯释放半径为 ０．９ｍ，因此钻孔布置间距不超过２ｍ。在机巷上帮、风巷下 帮每隔２ｍ布置一个孔径８９ｍｍ、孔深６０ｍ钻孔；采面浅孔抽放 是在采动压力影响区内进行的瓦斯抽放，应力的高峰值一 般与采面的距离是５～１０ｍ，采动压力使煤壁形成裂隙，这 些裂隙既是瓦斯解析释放的前提，也是瓦斯流动的通道。 这个区内瓦斯流动条件好、解析量大，所以抽出瓦斯量 大，可以较好地解决丁组煤层透气性差的问题。除机头、 机尾各留２０架外（本煤层已预抽），沿煤壁每隔１．５ｍ布置 一个孔径８９ｍｍ、深２５ｍ钻孔，采用ＣＦ－２型封孔器快速封孔连 管抽放。效检孔孔径４２ｍｍ、深７ｍ，执行措施为“四位一体 防突措施”；上隅角抽放有两路：密闭墙以里（脉吸管伸 进２００ｍｍ）抽放解决了采空区高浓度瓦斯，密闭墙以外抽放 （管口离风巷上帮、密闭墙外留适当距离１００～２００ｍｍ）， 再配合滑移导风帘、挡风帘的使用，这样可以有效解决上 隅角瓦斯积聚问题。立体抽放布置如图３。图２ 工 作 面 瓦 斯 涌 出 量分布图 图例：□落煤 ○采空区 △煤壁综合分析本工作面实测瓦斯涌出量数据，得出的结论 是：本工作面煤层瓦斯含量较大，突出危险性较高。因 此，本工作面瓦斯治理的重点是防治煤与瓦斯突出，解决 上隅角瓦斯问题。 ５ 瓦斯治理措施 （１）卸压区抽放原理。在工作面开采过程中，沿工作 面推进方向的支承压力可分为三个区，即煤层原始应力 区、应力集中区和卸压区。原始应力区处于三向应力平衡 状态。应力集中区处于煤壁前方６～２０ｍ左右，峰值在煤壁 前方６～１０ｍ。卸压区处于煤壁前２～６ｍ，受超前动压作用 后，该区煤体结构受到破坏，煤层卸压充分，应力明显降 低，煤层透气性明显提高，大量吸附瓦斯转为游离瓦斯，图３ 立体抽放示意图（３）抽采工艺优化。由于本采面瓦斯治理工作采取采 面浅孔动压抽放技术，瓦斯治理工作占用采面空间及采面 生产时间，导致瓦斯治理工作由辅助工序转化为主要工 序。只有合理确定采抽正规循环方式，才能从根本上解决 问题。正常的综采工艺为“割煤→推溜→拉架→其它工序 （清煤、超前支护准备等）”。由于首先需要进行瓦斯治 理工作，而且为了瓦斯缓释实行单刀割煤，从而改变了综 采工艺，而形成了“瓦斯治理→上（下）割煤→推溜（拉 架）→其它工序（清煤、超前支护准备等）→下一循环瓦 （下转第３８页）25