黑龙江龙煤鸡西矿业有限责任公司荣华一矿 黑龙江鸡西 158100
摘要：在深井回采中，分析瓦斯富集区所在空间立体位置对采面瓦斯治理尤为重要，本文着重分析鸡西矿业公司荣华一矿中二采区8#层左五面瓦斯富集区
关键词：为岩应力；瓦斯富集区；三带
前言
目前龙煤集团鸡西矿业公司荣华一矿随开采深度逐年增加，煤层原始瓦斯压力增大、含量增高，而且煤层透气性低。荣华一矿8#煤层作为矿井主力回采煤层7#层的解放层，该层瓦斯治理工作显得尤为重要。因此找出该煤层的瓦斯富集区以及采空区围岩冒落对瓦斯抽放相关数据的影响，确定合理高效的瓦斯治理工作方案，对于提高矿井瓦斯抽采率，保证矿井安全、高效、长远发展具有深远意义。我矿在矿业公司通风技术部的带领下以我矿已开采完毕的中二8#左五工作面瓦斯治理相关数据为依托，制定矿井8#煤层专项瓦斯治理工作方案。
1 矿井概况
矿井于1991年12月正式开工建设，1995年开始停缓建，2005年开始恢复建设，2008年5月12日成立鸡西矿业集团荣华立井筹备处，2011年12月20日从龙煤矿建公司移交到鸡西分公司。荣华一矿井田位于黑龙江省鸡东县永和镇、平阳镇境内。
矿井范围内主要含煤地层是下白垩统城子河组，可采16层，自上而下分别是：10C#、9#、8上-1#、8上#、8#、7#、6D#、6B#、6A#、5#、4上#、4#、3#、3下#、2#、1#。其中7#、6A#、4#为中厚煤层，其余均为薄煤层。在结构上，6A#、3#、2#煤为复合煤层，其余为结构单一或只有一层夹石的简单煤层。7#、6A#、4#、1#煤全井田发育，9#、6D#、4上#、3下#、2#煤局部可采，其余各层大面积可采。未来五年开采煤层包括8#、7#、6A、4#层，发热量为2600-4500卡/克。其中7#煤层煤种为气煤，其它主要为弱粘结性煤。2020年开采煤层比例8#层26.39%、7#层占41.67%、4#层占31.94%。
荣华一矿地面建有一处瓦斯抽放泵站，型号：CBF730-2BG3型水环式真空泵2台，其中一台运转，一台备用，抽放泵额定流量400m³/min。
荣华一矿井下建有四处瓦斯移动抽放泵站，其中中二采区移动抽放泵站，型号：ZWY-110/160型2台（1开1备），额定流量110m³/min；中二采区中部移动抽放泵站，型号：ZWY-160/200型2台（1开1备），额定流量160m³/min；中三采区上部抽放泵站，型号：ZWY-160/200型2台（停运），额定流量160m³/min；中三采区下部抽放泵站，型号：ZWY-160/200型2台（停运），额定流量160m³/min。矿井抽放率达到55.3%，采面抽采率达到85.2%。
2 采面瓦斯治理设计方案
该工作面平均走向长380m，平均倾向长192m，面积72960m²，平均倾角11°，全层平均厚度1.5m，容重1.5t/m³，可采储量194659t。8#煤层瓦斯含量4.6537m³/t ，压力0.462Mpa，本煤层瓦斯储量为90.59万m³。采用综合机械化采煤工艺，全部跨落法管理顶板，地面集中泵联合井下移动泵抽采。该工作面预计瓦斯涌出量为37.03 m3/ min。
工作面设计回风量1000 m3/min，风排瓦斯浓度0.5%，风排瓦斯量Q风=5 m3/min。该面预计瓦斯绝对涌出量37.03 m3/min，剩余32.03 m3/min。
高位钻孔位于回采工作面上巷，地面集中抽放系统主管路选取Φ529mm管路，分支管路选取Φ426mm和Φ325mm管路，管路内平均浓度30%，预计抽放流量为88.5m3/min，则抽采纯量Q2=26.55m3/min。
卸压穿层钻孔（8#上）抽放管路位于工作面降温巷，中二移动抽放系统主管路选取Φ325mm管路，分支管路选取Φ219mm管路管路内浓度最大6.5%，预计抽
仰角钻孔抽放管路位于回采工作面上巷，地面集中抽放系统主管路选取Φ529mm管路，分支管路选取Φ426mm和Φ325mm管路，管路内平均浓度15%，预计抽放流量为36.5m3/min，则抽采纯量Q4=5.48m3/min。
穿层钻孔（至7#煤层底板）、本层钻孔抽放管路位于回采工作面下巷，中二移动抽放系统主管路选取Φ325mm管路，分支管路选取Φ219mm管路，管路内平均浓度为12%，预计抽放流量为18.7m3/min，则抽采纯量Q5=2.2m3/min。
综上所述：Q=Q风+Q2+Q3+Q4+Q5
=5+26.55+1.66+5.48+2.2=40.89m3/min>37.03m3/min。
3瓦斯富集区域范围的确定及基础数据验证
（1）采空区上覆岩层瓦斯富集区域的形成基本原理
煤层顶板由若干层性质各异的岩层和煤层组成，当煤层被采出，顶板面积悬露到一定极限时，直接顶板岩层垮落，随着采面的推进，顶板中较坚硬的岩层(关键层)垮落，即初次来压。以后随着采面的不断向前推进，每隔一定周期关键层垮落1次，工作面也就形成了周期来压。根据开采沉陷学和顶板岩层控制的研究成果，采空区上覆岩层存在冒落、离层破断、弯曲下沉“三带”。冒落带经历了冒落、受压、压实过程；离层破断带又称裂隙带，经历裂隙发育、充分发育、压实的过程。当煤层顶板初次来压以后，赋存在煤层顶板围岩内的瓦斯由于顶板卸压的原因开始向采空区释放、扩散。随着工作面不断向前推进，上覆岩层产生许多裂隙和裂缝，采空区中部的离层裂隙会被上位岩层的移动所压实，而在采空区周围则形成了环形裂隙圈（O型圈），这些裂隙使采空区上覆岩层的透气性成倍增加，为采空区瓦斯的运移提供了通道和聚积的空间。采空区上覆岩层的运移以及破断形式见图3.1。
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图3.1 采空区上覆岩层运移及破断形式
由图3.1可知，顶板岩层从下至上分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带；沿煤层方向分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，采空区中部的上覆岩层随工作面的推进不断经历离层—重新压实的变换过程；同时在采空区周围形成环形裂隙圈。不论竖向还是横向这些区域都随回采工作面的推进不断地变换向前运移。
综上分析可知，处于顶板裂隙带和离层区的这一环形裂隙圈构成了采空区上覆岩层的瓦斯富集区域。图3.1中的裂隙带高度(a)、离层区距切眼的距离(b)，以及裂隙带距工作面回风巷的水平距离(c)是识别采空区上覆岩层瓦斯富集区域的重要参数。
（2）确定瓦斯富集区域的基本方法
中二8#煤层左五面根据经验公式计算以及抽采过程中的始抽段（浓度、流量升高）、稳定段（浓度、流量趋于稳定）和衰减段（浓度、流量降低），的分析来确定裂隙带瓦斯富集区的高度。
通过测试高位抽采钻孔中的瓦斯浓度、抽采纯量的变化来考察煤层顶板的运移状况，进而识别采空区上覆岩层的瓦斯富集区域。基于分析的需要，特对采空区上覆岩层的瓦斯富集区域加以定义，根据对采面高位钻场抽放浓度等测试数据的分析，把高位抽采钻孔中瓦斯浓度大于20%且瓦斯纯量大于0.5m3/min作为采空区上覆岩层的瓦斯富集区域。所以根据钻孔抽采的变化趋势，可以确定钻孔在采空区上覆岩层的瓦斯富集区作用的具体范围，并将不同钻孔的作用范围相结合，计算出采空区上覆岩层的瓦斯富集区域的位置。具体计算过程如下所示：
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(3-1)
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(3-2)
式中：
L—采空区上覆岩层的瓦斯富集区域距采煤工作面切顶线水平距离，m；
X—采空区上覆岩层的瓦斯富集区域距上巷的水平距离，m；
Z1—钻孔抽采浓度、流量均达到定义值时，钻孔开孔位置距工作面切顶线的距离，m；
Z2—钻孔抽采浓度、流量均下降到定义值时，钻孔开孔位置距工作面切顶线的距离，m；
α—钻孔施工方位与上巷的夹角；
θ—煤层倾角；
β—钻孔施工仰角。
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图3.2采煤工作面高位钻孔布置示意图
（3）中二8#左五面高位钻场试验区数据分析
中二8#煤层采空区上覆岩层瓦斯富集区域判定是通过测定高位钻孔的单孔瓦斯浓度、瓦斯流量随着工作面推进的变化情况进行分析确定。把抽采钻孔瓦斯浓度大于20%且瓦斯纯量大于0.5m3/min的位置认定为是瓦斯富集区域。本次共分析了2个高位钻场（3、4号钻场）中60个单孔的瓦斯参数数据，根据钻孔施工参数（钻孔与煤层及与巷帮夹角）、封孔严密情况、钻孔流量及浓度变化情况等对60组数据进行分析。通过对60组数据的分析及筛选，对富集区进行分析。
根据设计，可以计算得出有效抽采钻孔不同终孔点垂直煤层顶板的距离、距回风巷的水平距离及抽采钻孔终孔点距工作面切顶线的距离，由此可以得到有效抽采钻孔不同终孔点距煤层顶板的距离与钻孔抽采纯量、抽放浓度的关系、有效抽采钻孔不同终孔点距回风巷的水平距离与钻孔抽采纯量、抽放浓度的关系。
（4）中二8#左五面瓦斯富集区域的确定
由此可知，有效钻孔垂直煤层顶板距离小于15m时，钻孔抽采的瓦斯浓度较低(∮(CH4)＜20％)，并且抽采瓦斯纯量较低(小于0.5m3／min)，分析认为此时钻孔距采空区的距离较近，裂隙沟通了钻孔与采空区，加之漏风的作用，导致钻孔抽采浓度、抽采纯量较低；当钻孔终孔点垂直煤层顶板距离大于35m时，钻孔抽采的瓦斯浓度较高(∮(CH4)＞20％)，但抽采的瓦斯纯量较低(小于0．5m3／min)，分析认为钻孔进入弯曲下沉带导致钻孔瓦斯浓度较高，瓦斯纯量较小；当钻孔垂直煤层顶板距离大于15m、小于35m时，钻孔抽采瓦斯浓度较高(∮(CH4)＞20％)、抽采纯量大于0.5m3／min，说明钻孔此时位于裂隙带，可判定为瓦斯富集区域。
有效钻孔距工作面上巷水平距离大于13.5m、小于57.9m时，钻孔的瓦斯抽采浓度较高(∮(CH4)＞20％)且抽采纯量大于0.5m3／min，说明此时钻孔位于环形裂隙圈内。
工作面切顶线距抽采钻孔开孔位置水平距离在74.2-26.5m时，抽采钻孔瓦斯浓度大于20％，并且其单孔抽采纯量大于0.5m3／min，由此可以判断，中二采区8#左五工作面顶板岩层的离层区位于切顶线之后26.5m，并且随着工作面的推进不断向前运移，可以认为回采工作面切顶线后方26.5m内为采空区上覆岩层裂隙的发育区。
通过以上分析及各个钻孔瓦斯富集区域统计可以判定，采空区上覆基岩层瓦斯富集区域位于：垂直煤层顶板距离15-35m、距离工作面上巷13-58m、工作面切顶线后方26.5m之外，并且此区域随工作面的推进同步向前运移。
4 矿井8#煤层瓦斯治理工作方案
（1）煤层瓦斯治理方式：
综上所述，矿井总结并归纳了针对该煤层的瓦斯治理措施，其中包括：风排；高位（仰角）钻孔钻孔、本煤层钻孔、顶、底板卸压（8#上、7#煤层）钻孔与地面及井下抽放系统相连的瓦斯治理方式。
（2）风排、抽采相关参数：
风排：工作面配风不得低于1000m³/min；
高位钻孔：高位钻场间距：70-90m，钻孔长度：110-130m，搭接长度不小于30m，孔径：94-113mm，开孔间距0.35m，分上、中、下三排布置，其中：距煤层顶板15m-25m-35m；距上巷水平距离10m-60m（终孔间距8m）；距切顶线26.5m以上（根据顶板岩性可适当增加）。
注明：当前一个抽放钻场内抽放钻孔在达到抽采稳定时，钻孔单孔浓度不得低于20%，流量不得低于1.5m³/min，否则应在后续施工的钻场内做出调整或增补仰角孔。
本层钻孔：孔径：94mm，孔深：大于2/3工作面长度，钻孔间距：5m，封孔长度18m，预抽时间不得低于3个月。
注明：当预抽时间不足时，第一地质预抽单元内钻孔间距调整至3m。钻孔浓度不得低于15%，否则重新补打并增加封孔长度。孔内负压不得低于15KPa，否则增加抽放能力或重新封孔。
顶、底板卸压钻孔（8#上、7#煤层）：每组3个钻孔20m×20m布置，钻孔长度：75-150m。
注明：底板卸压钻孔孔内浓度不得低于15%，流量不得低于0.5m³/min。否则增补钻孔。
参考文献
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