急倾斜厚煤层水平分层放顶煤...作面瓦斯涌出量预测问题探究_段天祥.pdf

急倾斜厚煤层水平分层放顶煤工作面瓦斯涌出量预测问题探究段天祥1，2(1 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122;2 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122)摘要:在我国煤炭产量和探明储量中，急倾斜厚煤层所占比例较小，对水平分层放顶煤采煤工艺的急倾斜厚煤层矿井瓦斯涌出量预测方法的研究还不够深入，工作面瓦斯的来源不同于倾斜、缓倾斜煤层，主要源于本煤层下部煤体。随着急倾斜厚煤层水平分段放顶煤采煤工艺的推广，研究其工作面瓦斯涌出对完善瓦斯涌出量预测方法具有重要意义，是预测与研究未来工作面瓦斯涌出量的趋势。关键词:急倾斜厚煤层;水平分层放顶煤;瓦斯涌出量;分源预测法;矿山统计法中图分类号:F4063;TD7125文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02002503近年来，煤矿开采深度加大，煤层瓦斯压力、瓦斯含量和瓦斯涌出量不断增大，瓦斯灾害日趋严重，防治难度日益增大。瓦斯灾害制约了煤矿的高效、安全生产，时刻威胁着井下工作人员的生命安全，防治矿井瓦斯灾害是煤矿安全生产最重要的任务之一。瓦斯涌出作为瓦斯灾害发生的主要根源，对其预测的准确程度能够直接影响矿井的安全生产和经济技术指标，准确地预测瓦斯涌出量能为矿井、采区和工作面通风提供基础数据，为矿井通风设计、瓦斯抽采和瓦斯防治提供基础参数。因此，应制订合理的措施有效防治瓦斯灾害，杜绝发生事故。煤矿开采工艺不断发展，缓倾斜厚煤层已经很少采用分层开采的回采工艺，而是多采用放顶煤开采工艺和一次采全高开采工艺。但在急倾斜厚煤层的开采中，分层开采方法得到推广，具有产量大、成本低、高产高效的优点。受到矿井地质条件、煤层赋存条件等多因素的综合影响，仍需不断探索、完善急倾斜厚煤层水平分层放顶煤工作面的瓦斯涌出量预测技术。为准确预测急倾斜厚煤层水平分层放顶煤开采工作面的瓦斯涌出量，本文对采用该工艺的矿井瓦斯涌出影响因素进行了分析，为今后的研究提供了方向，以研发订更有针对性的防治技术，具有重要意义。1 影响瓦斯涌出量的因素11 煤层瓦斯含量煤层瓦斯含量是影响瓦斯涌出量的关键因素。采用分源预测法预测工作面瓦斯涌出量，瓦斯含量是其中的一项重要指标。一般情况下，工作面瓦斯涌出量与煤层瓦斯含量成正比，煤层瓦斯含量越高，涌出量越大。矿井当前生产煤层的瓦斯含量会影响瓦斯涌出量，当前生产煤层的上部或下部的邻近煤层赋存瓦斯含量较大时，在生产影响下，邻近层的瓦斯也会涌入生产煤层，导致瓦斯涌出量增大。而采用水平分层放顶煤开采的急倾斜厚煤层，邻近层瓦斯涌出影响相对较小，原因是煤层倾角较大，瓦斯大部分来源于生产层下部煤体卸压涌出，因为下部煤体缺少岩层的阻隔，更利于瓦斯的释放。随着煤层开采深度和埋深的增大，瓦斯含量和涌出量也会逐渐呈增大趋势。因此，煤层赋存瓦斯量越大、矿井采深越大、相邻煤层越多、距离生产煤层越近，矿井的瓦斯涌出量越大。12 矿井规模与采煤速度矿井规模和工作面采煤速度会对矿井的绝对瓦斯涌出量产生相对较大影响。在同一矿井采用相同的开采工艺及地质条件的情况下，矿井绝对瓦斯涌出量会随着工作面开采速度的加快、矿井产量的扩大而相应地增大，而矿井相对瓦斯涌出量变化相对较小。13 生产顺序与生产工艺除单一煤层生产外，在煤层群或缓倾斜厚煤层采用分层开采的方法时，最先生产的煤层(或分层采煤的第一分层)瓦斯涌出量较大，除生产煤层或第一分层生产过程中的瓦斯涌出外，上下邻近层或下部未开采的分层瓦斯也会通过生产导致的裂隙涌入当前生产煤层的采空区及生产空间中，从而加大了瓦斯涌出量。其他邻近煤层或分层与生产层的埋深相差不大，其瓦斯得到了提前释放，生产时的瓦斯涌出量将远远小于最52DOI:10.13487/ki.imce.023223先生产的煤层(或分层采煤的第一分层)。在煤层瓦斯含量相同的情况下，采用综采放顶煤开采工艺的工作面由于采高大、产量大，瓦斯涌出量相比普通综采面会更大。在工作面割煤及放煤的过程中，瓦斯涌出量的大小与割煤量、放煤量、煤体破坏程度、新暴露煤体面积有关，具有随煤体暴露时间增大而逐渐衰减的特点。采用回采率低、采空区遗煤较多的采煤方法会导致瓦斯大量涌出。工作面管理顶板采用全部垮落法会造成顶板大范围破坏，加大瓦斯涌出量。采煤工作面周期来压时，瓦斯涌出量也会增大。14 大气压力大气压力是随着温度的变化而变化的。当大气压力降低时，工作面后方的采空区及工作面回采完成后密闭质量不好的采空区会与采面产生气压差，使采空区内集聚的瓦斯大量涌出至风流中，导致矿井瓦斯涌出量增大;反之，当大气压力上升时，矿井瓦斯涌出量会减少。15 通风系统矿井通风方法对矿井瓦斯涌出量有着重要影响。当采用抽出式(负压)通风方式时，矿井瓦斯涌出量会跟随负压的增大而增大;而压入式(正压)通风有利于抑制瓦斯涌出，风压高时，矿井瓦斯涌出量会相应减少。风量也是引起矿井瓦斯涌出量变化的原因之一。风量发生变化时，工作面回风流中的瓦斯会随之变化，还可能导致瓦斯浓度出现相应的变化。瓦斯涌出量发生变化的主要原因是工作面采空区集聚的瓦斯因漏风被带入回风流，使回风流中的瓦斯浓度升高。当然，该过程不是持续性的，一段时间后，风量趋于稳定后，瓦斯涌出也会恢复平稳。16 采空区瓦斯涌出受矿井生产影响，割煤、放顶等工序会引起地应力的重新分布，导致岩层细小裂隙的扩张，邻近煤层的瓦斯会通过这些裂隙涌入采空区内，导致采空区集聚大量的瓦斯。气压变化及通风负压使采空区内的大量瓦斯通过密闭质量差的密闭墙或裂隙进入采区巷道中，导致矿井瓦斯涌出增大。矿井瓦斯涌出量的影响因素是多方面的，煤矿在日常管理中应加强对瓦斯的监测与管理，找出符合本矿井瓦斯涌出的基本规律，制订措施防治瓦斯，减少瓦斯涌出，杜绝事故发生。2 瓦斯涌出量预测方法经过多年的探索与发展，我国矿井瓦斯涌出量预测方法的应用与推广分为两类:一是矿山统计法，二是分源预测法。其中，分源预测法应用较为广泛1。21 矿山统计法矿山统计法以数理统计为基础，只适用于地质条件和开采工艺相似的矿井。矿井生产会产生大量的瓦斯数据及瓦斯涌出量资料，收集并归纳本矿井及同一矿区邻近矿井积累的大量实测资料，对比分析相关数据，找出煤层埋深与瓦斯涌出量之间的关系和变化规律，将找出的规律应用于推算矿井新水平、新区域或邻近新建矿井的瓦斯涌出量。该方法多用于生产矿井或已有多年开采历史矿区的新建矿井。22 分源预测法该方法根据时间和地点，将矿井分成若干涌出瓦斯的瓦斯源，结合煤层赋存条件和开采技术条件，利用煤层瓦斯含量，分别对矿井采区、采煤工作面、掘进工作面、采空区、邻近煤层的瓦斯涌出量进行预测，从而达到预测工作面或全矿井瓦斯涌出量的目的。3 急倾斜水平分层放顶煤工作面瓦斯涌出量预测存在的问题现阶段，水平分层采煤法已大力应用于急倾斜厚煤层。将急倾斜厚煤层沿水平方向分成若干分段，自上而下依次开采，而回采工作面的长度是由煤层的厚度决定的，工作面沿煤层走向推进。对采用水平分层放顶煤采煤工艺的急倾斜厚煤层，在工作面开采过程中，现有的瓦斯涌出量预测方法研究还不够深入，在计算过程中还存在诸多问题有待解决，难以普及。矿山统计法与分源预测法存在以下主要问题2。31 矿山统计法瓦斯涌出量预测存在的问题该方法只能用于预测在瓦斯带内开采的生产矿井或有较长开采历史的矿区，生产至少需要统计两个开采水平的瓦斯涌出量。利用该方法向下推算瓦斯涌出量的范围不能超过 200m，沿煤层倾向不得超过600m，推算范围随着倾角的变化而减少，否则瓦斯涌出量的预测数值会与实际误差较大。应用该方法需要统计大量在不同标高、埋深生产过程中的瓦斯涌出量，时间跨度很大，大多数矿井十年内基本都在一个水平生产，因此无法统计两个水平的数据。该方法不适用于新建矿井且矿区开采时间短的煤矿。同矿区不同矿井同一煤层的透气性、瓦斯含量、梯度、采高、煤层厚度、围岩性质、采煤方法和地质条件等瓦斯及开采参数也会有不同。当开采工艺或地质条件发生改变时，即使是同一矿井，也不能采用此方法对深部瓦斯涌出量进行预测。32 分源预测法瓦斯涌出量预测存在的问题通过对急倾斜厚煤层水平分层放顶煤工作面瓦斯涌出来源的探究，可以了解瓦斯来源为割煤范围内本煤层瓦斯涌出、工作面放煤时的瓦斯涌出、工作面采空62区瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出、下部煤体卸压瓦斯涌出五部分。经过实际应用与分析，可以了解到分源预测法主要有以下不足3:在急倾斜厚煤层水平分层工作面回采期间，可以发现，急倾斜厚煤层在顶底板岩性较致密、邻近层间距较大的情况下，邻近层的瓦斯排放对本煤层瓦斯涌出量影响很小，除割煤及放煤外，工作面瓦斯主要源于本煤层的卸压瓦斯，下部煤体距离工作面越近，瓦斯排放率越大，反之则越小。工作面下部煤体卸压瓦斯的涌出与邻近层瓦斯涌出十分相似，二者的相同之处在于工作面回采是导致瓦斯涌向工作面的主要原因，在工作面回采的情况下，采动破坏及煤岩裂隙的二次发育现象可能导致工作面瓦斯涌出量增大，卸压瓦斯以采动裂隙为通道，使总体流向发生改变。但二者也不完全相同，例如煤层分层开采的上下分层之间不存在岩层，随着工作面的开采，更容易对下部煤体造成破坏，进而释放瓦斯。但下部煤体释放瓦斯的深度不是向下无限延伸的，这就需要考虑到工作面下部煤体受采动影响对开采层涌出瓦斯的极限范围，可以利用不同的标高测定该工作面开采前及开采后下部煤体的煤层瓦斯含量和瓦斯压力，统计分析开采前、开采后煤层瓦斯含量和瓦斯压力的变化规律和变化幅度，从而判断工作面煤层采动影响对下部煤体瓦斯释放的极限范围。缓倾斜厚煤层采用分层开采时，工作面范围内煤层瓦斯总量相对固定，受煤层厚度的限制，以往最多研究工作面分 4 层的瓦斯涌出量，煤层分 34 层开采时，上分层的 Kfi 值均要比下分层大，对第一分层的煤体进行开采后，第二乃至第三分层的煤体就会产生卸压，进行瓦斯释放。当开采第二分层的煤体时，第三乃至第四分层煤体的瓦斯又会进一步释放。随着分层逐步开采，瓦斯涌出系数逐渐减少，瓦斯涌出量也相应减少。而急倾斜厚煤层倾角较大，分层开采的层数不受煤层厚度的限制，而是由矿井的开采深度决定的。煤层倾向向下延伸的埋深越来越大，煤层瓦斯含量也相应变大，煤层厚度在倾向上可以看作无限，分层的数量可以达到数十层。所以，在上分层开采时，下部煤体会卸压并释放一部分瓦斯;在开采下分层时，下部煤体受开采影响将对上部煤体瓦斯进行及时补充，而随着深度的变化，煤层瓦斯含量也相应增大。除第一分层的 Kfi 值外，Kfi 值应随着开采深度的增加而逐渐增大，这是一个动态变化过程，因此确定煤层每个分层的瓦斯涌出量系数 Kfi 值变得非常困难，不能参照以往厚煤层分层开采的 Kfi 值取值方法，Kfi 值的变化规律还需进一步研究4。急倾斜厚煤层水平分层放顶煤采煤法把急倾斜厚煤层沿水平方向分成若干分层，自上而下依次开采，工作面长度一般由煤层在水平方向的厚度决定，这使工作面的长度较短，一般为 1540m，煤层工作面长度小于准备巷道预排瓦斯带宽度，若按照分源预测法计算准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，显然有不妥之处，常出现影响系数为负数的情况。如新疆某矿 A3煤层为 1/3 焦煤，煤层首采工作面长度 18m，巷道煤壁暴露时间约 150d，标准巷道预排瓦斯带宽度142m，则影响系数 k3=(182142)/18=0578，结果为负数，显然不符合实际5。分源预测法具有实用性，在将来较长的一段时间内，分源预测法仍然会是工作面、矿井瓦斯涌出量预测的主要方法。放顶煤采煤工作面的瓦斯涌出量预测已在分源预测法上得到了完善，之后应对急倾斜厚煤层采用水平分层放顶煤开采的工作面及其他特殊情况的工作面瓦斯涌出量预测方法进行深入研究，完善瓦斯涌出量预测方法。4 结论瓦斯是危害矿井安全生产的重要因素之一，瓦斯灾害是煤矿中最严重、历史最久的灾害之一。瓦斯抽采与通风是解决瓦斯灾害问题主要措施，而对工作面瓦斯涌出量的预测是工作面通风与瓦斯抽采设计的基础工作，瓦斯涌出量预测结果对矿井的采掘安全具有直接影响，我国在这方面也有严格的规定。随着煤矿行业的进步，急倾斜厚煤层水平分层放顶煤采煤工艺的不断推广，现阶段的瓦斯涌出量预测方式还存在一些问题，要实现煤矿行业的安全发展，还需进行认真探究，建立一套兼具合理性和适用性的瓦斯涌出量预测方法。参考文献:1 NB/T 103642019，综合机械化放顶煤工作面瓦斯涌出量预测方法 S 2 秦玉金，苏伟伟，姜文忠，等我国矿井瓦斯涌出量预测技术研究进展及发展方向 J 煤矿安全，2020，51(10):5259 3 王小朋单一厚煤层综采放顶煤工作面瓦斯涌出量预测方法研究 J 能源技术与管理，2020，45(03):3840 4 何云文，刘俊，黄光利急倾斜特厚煤层工作面瓦斯涌出量预测及规律研究 J 煤炭技术，2021，40(11):124127 5 刘军急倾斜特厚煤层开采工作面瓦斯涌出量预测方法的建立及应用 J 矿业安全与环保，2019，46(01):4751+56作者简介:段天祥(1995)，男，河北涉县人，本科，助理工程师，从事矿井瓦斯灾害防治研究工作。72