第33卷
第5期
2013年09月
西安科技大学学报
JOURNAL OF XI ’AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol．33No.5
Sep.2013
文章编号：1672－9315（2013）05－0532－06
急斜特厚煤层综放面瓦斯运移规律与综合治理
*
张新战，陈建强，漆
涛，蒋东辉，孙秉成
（神华新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐830027）
摘要：水平分段综放开采是急倾斜煤层充分回收煤炭资源的重要手段。瓦斯动力学迁移致灾
与煤岩运移规律密切关联。针对急倾斜特厚煤层高阶段综放开采下易导致瓦斯突然急剧释放、瓦斯超限及综合治理难题，以乌东煤矿西采区安全开采为研究背景，采用理论分析、实验测试和现场试验等方法，提出了基于矿压调控的瓦斯立体抽放工艺技术，开展现场应用验证。结果表明：工作面预抽率为5．8%，回风瓦斯浓度基本保持在0．02%左右，实现了工作面安全高效生产。关键词：急斜煤层；高阶段；短工作面；综放开采；瓦斯综合治理中图分类号：TD 712
文献标志码：A
0引言
瓦斯的动力学迁移致灾依然是急倾斜特厚煤层安全高效开采中面临的主要技术难题之一［1］
。急斜
煤特厚高阶段综放开采是充分回收煤炭资源的重要手段
［2－3］
。神华新疆能源有限责任公司是以急倾斜
（45ʎ 87ʎ）特厚煤层开采为主的典型集约化矿区，赋存30多层厚度不同、间距不同的急倾斜煤层，已建成了以乌东矿为典型代表的年产1000万吨急斜特厚煤层生产矿井。
在高阶段水平分段短壁综放开采条件下，易导致瓦斯积聚并形成新“爆炸源”。急倾斜煤层高阶段开采后，地表反复沉降伴随较大裂缝，形成连通地表与工作面上方空区的供氧通道。急倾斜煤层深部开采工作面出现瓦斯异常，高阶段水平分段综放开采易导致瓦斯突然急剧释放及瓦斯超限
［4－6］
。2011－12－
09至2012－01－18，+620水平45#煤层西翼工作面架后采空区垮落，压出有害气体，导致4人受气体伤害，进风巷距工作面50m 的串车尾部有3人被气体熏倒，严重制约安全高效开采。针对乌东煤矿西采区综放开采瓦斯综合治理问题，基于矿山压力调控的瓦斯立体防治思路，以B 4煤层瓦斯治理为研究背景，采用理论分析、室内实验和现场抽放试验等方法，揭示了急斜煤层综放面瓦斯运移规律，并设计实施综合治理措施，开展现场验证。
+400水平
图1乌东煤矿急倾斜特厚煤层赋存环境
Fig．1Heavy steep-thick coal seams geological environment in Wudong colliery
1
急斜煤层高阶段综放面结构与煤岩运动演化特征
1．1
急斜煤层综放面结构
乌东煤矿西采区开采急倾斜（60ʎ 89ʎ）近距离煤层（图
1），煤层普氏系数（f ）0．7 3．0；采用水平分段综放开采，顶板为
粉砂岩，底板为泥岩与粉砂岩，采高3．0m ，放高21．0m ；工作面长30．0 50．0m ，走向长约1000m ，各分层沿煤层顶底板平行布置2条巷道，构成“U ”型通风系统，风量配备约800m 3/min．如
图2所示为工作面与上覆采空区结构关系，
可以看出急倾斜特厚煤层工作面实质为有限长度的短壁工作*
收稿日期：2013－01－20
基金项目：新疆自治区重点技术创新项目（2010367）
通讯作者：张新战（1971－），男，新疆阿克苏人，工程师，主要从事煤矿开采及安全技术管理与研究工作．
DOI:10.13800/jki.xakjdxxb.2013.05.019
第5期张新战等：急斜特厚煤层综放面瓦斯运移规律与综合治理
面，采空区始终位于工作面上方，瓦斯治理难度大
。
回风巷
底板
煤体
超前预爆破孔
采空区
顶
板密封
上分段原工作面
密封
上分段采空区
(b)
(a)底板
图2
急斜煤层工作面与采空区结构
Fig．2
Structure of mined －out area and working face in steep seams
（a ）剖面方向
（b ）沿推进方向
1．2综放煤岩运动演化规律
研究表明：急斜水平分段开采工作面矿压显现不强烈，这一点与缓倾斜煤层不同，不存在明显周期
性。急倾斜破碎煤岩剪切变形和运动发展空间有限，支承压力影响范围明显变窄，更接近于工作面煤壁（一般在10．0 12．5m ），应力集中加剧工作面煤壁片帮。急倾斜煤层中顶煤和上覆残留煤矸将形成“跨层拱”
结构［7］
。
“跨层拱”结构的拱角区域易出现局部滑落失稳，造成拱的承载力下降；加之超前预爆破动态扰动影响，
护顶垫层煤岩强度劣化，导致煤岩体内部应力重新调整，拱内煤岩体发生结构性断裂，破碎煤岩体在高应力强卸荷作用下，
导致急倾斜特厚煤层短壁工作面内连续拱的连锁式破坏，煤岩体产生下挫式运动与滑落失稳，易造成局部化动力来压。
回风与进风巷道的“楔形（V 字形）圈”结构独特特征，易产生瓦斯积聚。由于历史性开采频繁，形成了大量采空区或沿走向塌陷，积聚大量有害气体形成“瓦斯罐”。此外，破碎煤体增加了覆层（垫层）厚度，
阻隔了有害气体流通渠道，在有限工作面内加剧了气体积聚浓度，提高了有害气体向工作面溢出的压差和可能性，加剧了工作面端头瓦斯超限机率。
2
急斜煤层综放面瓦斯赋存与运移规律
2．1
瓦斯赋存特征
瓦斯基本参数定量确定对揭示煤层瓦斯赋存与运移特征和优化控制工艺方法至关重要。根据现场
实测和实验室分析及比较，综合确定了煤层瓦斯基本参数，见表1．
表1
B 4煤层瓦斯基本参数测试结果
Tab．1
Parameters experimental result of methane in B 4
煤层埋深/m 绝对瓦斯压力/MPa 瓦斯含量/
（m 3·t －1）真密度/（t ·m －3）视密度/（t ·m －3）孔隙
率/%百米钻孔瓦斯涌出量/（m 3
·min
－1
）
透气性系数/（m 2·MPa －2·d ）
吸附常数
a /（m 3·t －1）
b /MPa 工业指标M ad
A d
V daf
B 4
gassy257
0．15
2．25
1．45
1．40
3．45
0．037
30．51
26．39
1．02
1．0913．837．5
根据朗格缪尔方程，可计算出煤层吸附瓦斯量和游离瓦斯量之和，即煤层瓦斯含量如式（1）所示。
w =
abp 1+bP ˑ100－A d －M ad 100ˑ11+0．31M ad +κP
10γ
．（1）
式中
w 为瓦斯含量，m 3/t ；a ，b 为吸附常数；P 为绝对瓦斯压力，MPa ；A d 为灰分；M ad 为水分；k 为孔隙率；γ
为容重，t /m 3．计算结果表明：B 4煤层原始瓦斯压力0．15MPa ，瓦斯含量为1．79m 3
/t ，平均透气性系数为
3
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30．51m2/MPa2·d，属易抽放煤层［8］。
室内实验表明，煤层瓦斯赋存有以下特征［9－10］
1）瓦斯含量随采深变化增加了变质作用；随采深增加，下部煤层透气性差，瓦斯气体分子逐渐转化为吸附能较差的物理吸附状态，具有突出倾向性；
2）煤孔隙度高，孔隙大小分布不均，瓦斯含量（瓦斯应力）出现分区变化差异；
3）随采深增加，地温升高，煤体瓦斯吸附能力明显降低。
2．2急斜煤层综放面瓦斯运移规律
1）开采分层工作面前方煤层瓦斯卸压释放。受工作面超前支撑压力作用，分层工作面前方煤体裂隙增加，在开采过程中，赋存于其中的瓦斯自然释放。
2）工作面上部顶煤赋存瓦斯涌出。工作面上部顶煤在超前预爆破作用下，产生裂隙，赋存于其中的瓦斯卸压，不同程度地沿裂隙涌入回采工作面。
3）工作面下部煤层瓦斯卸压涌出。下部40．0m范围左右煤层受采动影响产生裂隙，赋存于其中的瓦斯卸压，不同程度地沿裂隙涌入回采工作面。
4）工作面上部封闭采空区积聚的瓦斯在开采扰动和通风负压作用下释放。
3现场综合防治
由于开采卸压，煤层瓦斯压力升高，致灾机率大。基于急倾斜特厚煤层瓦斯赋存与流动特征规律，执行“先抽后采”政策，将瓦斯抽采纳入至矿井采掘计划中，形成“抽掘采”相互衔接［9］。急倾斜煤层独特的矿山压力分布与发展特征，工作面回风巷与进风巷道的“楔形（V字形）圈”结构独特特征，易产生瓦斯积聚，提出了基于矿压调控的瓦斯立体抽放工艺技术［9－12］。
3．1基于矿压调控的瓦斯防治思路
随采深增加，下部煤层透气性差，瓦斯气体分子逐渐转化为吸附能较差的物理吸附状态，亦具有突出潜在威胁；煤孔隙度高，孔隙大小分布不均，孔喉连通状况较差，瓦斯气体含量出现分区分块的变化差异，开采时利用煤体超前注水致裂与超前预裂爆弱化方法，促进煤层连通，合理控制与调节风量；瓦斯
在煤体中的解吸系数较大，随采深增加，煤内瓦斯气体吸附能力降低；根据放顶煤厚度，在上部湮水弱化煤层，利用水和气体共同驱动作用，增加超前预爆破后煤层的透气性，降低瓦斯灾害。
3．2抽放工艺
3．2．1阶段巷道钻孔预抽开采阶段煤层和下阶段煤层瓦斯
工作面仅仅依靠通风可以解决瓦斯超限问题，进入深部后，开采层瓦斯涌出量会有较大的增加，必须对开采层进行预抽。鉴于开采阶段煤层已经卸压，煤层只有部分残余瓦斯，若对正在开采阶段煤层打钻孔预抽，效果不会很理想。若在开采阶段回采前，将下阶段回风巷道（或运输巷道）预先掘出，在该巷道内布置钻场，沿着煤层向上打煤层钻孔，终孔点落在正在回采阶段煤层内，对正在开采阶段煤层和下阶段煤层进行采前预抽和采后下阶段煤层卸压抽放，有效拦截下阶段煤层涌出的卸压瓦斯，减小工作面瓦斯涌出量（图3）。
3．2．2上隅角插管抽放采空区瓦斯
在回风巷内铺设抽放瓦斯管道，随工作面推进抽放瓦斯管道逐步埋入采空区3．0 5．0m范围内，对采空区涌出的瓦斯进行抽放，如图4（a）所示。采空区瓦斯涌出量大时，对上隅角封堵（挂风幛或封堵墙），增加采空区密闭性，减少因抽放造成工作面上隅角漏风，提高上隅角瓦斯抽放效果，拦截采空区瓦斯涌出。
3．2．3掘进工作面瓦斯抽放
随开采深度增加，掘进工作面瓦斯涌出量将增大，掘进工作面边掘边抽，具体抽放方法如图4（b）所示，降低巷道煤壁和工作面落煤的瓦斯涌出量。
3．3抽放参数
1）抽放率：根据AQ1026－2006《煤矿瓦斯抽采基本指标》规定，矿井瓦斯抽采率不小于40%．
第5期张新战等：急斜特厚煤层综放面瓦斯运移规律与综合治理
(b)
(a)
采空区
卸压带
抽放孔
抽放管运输大巷
回风大巷
采煤工作面
下阶段开采煤区
开采阶段煤层
瓦斯抽放孔
煤层巷道
下阶段开采开采阶段煤层巷道
上阶段采空区
20m
20m
图3
下阶段巷道钻孔抽放瓦斯布置
Fig．3
Layout of drilling bore holes for methane in next sub-level
(a)
采空区
运输巷
液压支架
回风巷
埋入采空区5m
待开采媒体
瓦斯抽放管
(b)
掘进巷道
70m
10m
15m
12
100m
钻孔（2）-9°
钻孔（2）-6°
瓦斯抽放管
掘进巷道
瓦斯抽放管1
2
图4工作面瓦斯抽采工艺
Fig．4
Techniques for methane drilling
（a ）上隅角插管抽放瓦斯
（b ）掘进工作面抽放瓦斯
2）抽采时间：从工作面安全需求与采掘计划，确定预抽时间为30个月。
3）抽采负压：工作面抽采瓦斯孔口负压不低于13．0kPa ，掘进面抽采孔口负压为7．0 10．0kPa ，采空区抽采负压不低于5．0kPa．
4）抽采钻孔参数：钻孔直径90．0 120．0mm．顺层预抽钻孔长度150．0m ，穿层钻孔的钻孔长度为40．0 60．0m ，钻孔间距均为6．0m．
4现场实施效果
通过本分层采空区高位孔抽放、煤层顺层和穿层抽放、采空区埋管抽放、下分层穿层预抽的立体抽放
等，边采边抽的瓦斯总量为2．39Mm 3
，占工作面瓦斯总排放量的67．55%，有效减少煤层瓦斯含量和涌出
量，并实现煤层抽采达标要求，通过加强通风管理与瓦斯抽放相结合的综合防治措施，真正控制和消除开采煤层瓦斯隐患，
从源头上超前治理，工作面预抽率为5．8%，回风流中瓦斯浓度基本保持在0．02%左右，消除了采空区瓦斯爆炸的可能性。
现场应用效果表明：工作面推进度、生产持续性显著提高，综合成本、回采率等主要指标均明显改善。回采率提高了6．0%，最高日产近6000t．平均日产量由3150．7t /d 上升到4446．2t /d ，提高了41%；生产时间均衡性和连续性明显改善，日推进度由2．4m 上升到3．0m ，推进度提高25%。生产时间明显提升，提高5h 左右，提高40%以上；最高工效77t /d ，平均工效达到60．84t /d ，提高了35．2%，从根本上改善了综放开采的安全性。
5结论
瓦斯动力学迁移致灾与煤岩运动规律及安全高效开采密切关联。急斜煤层高阶段高综放开采条
5
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件下，存在瓦斯超限与潜在瓦斯灾害。通过对乌东煤矿西采区急斜厚煤层综放开采瓦斯综合治理综合研究，得出如下结论。
1）急斜煤层高阶段水平分段短工作面综放开采条件下，存在瓦斯超限与潜在灾害。
2）综合研究表明，随采深增加，下部煤层透气性差，下部煤层含气量高于上部煤层，具有突出倾向性。煤孔隙度高，孔隙大小分布不均，瓦斯含量（瓦斯应力）出现分区分块的变化差异。
3）通过基于矿压调控的瓦斯立体抽放工艺技术应用，工作面预抽率为5．8%，边采边抽的瓦斯总量为2．39Mm3，占工作面瓦斯总排放量的67．55%，回风流中瓦斯浓度基本保持在0．02%左右，实现急倾斜煤层安全高效生产。
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