Ⅲ4423工作面火成巖侵蝕條件下瓦斯災(zāi)害動(dòng)態(tài)治理研究

江亮華

摘 要：為研究火成巖侵蝕下高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害綜合治理，以朱莊煤礦Ⅲ54采區(qū)Ⅲ4423工作面為對(duì)象，對(duì)該瓦斯治理采用動(dòng)態(tài)綜合防治技術(shù)，在探明工作面內(nèi)是否因火成巖的分割、穿插和侵入的情況下，對(duì)有瓦斯儲(chǔ)集地段采用順層鉆孔和高位鉆場及采空區(qū)埋管抽放方式進(jìn)行防治，而對(duì)瓦斯含量低的地段，則取消順層鉆孔抽放瓦斯和增大鉆場抽放的距離，以優(yōu)化其防治措施。在Ⅲ4423工作面的回采實(shí)踐中，即保證了安全高效回采，又節(jié)約了瓦斯治理成本，對(duì)同類礦井的瓦斯治理具有重要借鑒作用。

關(guān)鍵詞：火成巖;火成巖侵蝕;高位鉆場;動(dòng)態(tài)管理;瓦斯抽放

我國煤礦95%以上為井工開采，其中70%以上的國有煤礦為高瓦斯礦井。起因于我國大陸是由眾多小型地塊多幕次匯聚而成，主要煤田經(jīng)受了多期次，多分析、強(qiáng)度大小不一的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造，致使煤層賦存條件極為復(fù)雜，自開采以來，煤礦災(zāi)害事故一直未得到有效控制。據(jù)煤礦大量事故災(zāi)害條件分析看出，瓦斯災(zāi)害事故仍然是煤礦的“第一殺手”，如2003-2009年度死亡100人以上的十起事故中，瓦斯災(zāi)害就占6起。死亡849人。因此，對(duì)瓦斯災(zāi)害的嚴(yán)格治理，是煤礦開采中的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。

1 朱莊煤礦Ⅲ54采區(qū)4423工作面基本情況概述

位置及概況：Ⅲ54采區(qū)位于朱莊井田的西南部，Ⅲ54采區(qū)下部南到楊莊礦與朱莊礦礦界，北以三水平西大巷為界，東到Ⅲ54和Ⅲ52、Ⅲ53采區(qū)邊界線，西到楊莊礦與朱莊礦礦界。東西長約1800m，南北寬約1100m，面積約1.98km2。采區(qū)內(nèi)3煤層受巖漿侵蝕不可采，4煤層、5煤層局部受巖漿侵蝕不可采，4煤層可采面積約0.56km2，5煤層可采面積約1.41km2。地表為農(nóng)田及村莊。地面標(biāo)高+32m左右。

煤層情況：Ⅲ54采區(qū)的4煤層和5煤層均屬二疊系下石盒子組，4煤層厚度平均1.5m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中含一層夾矸，煤層傾角4°～10°，煤種牌號(hào)為貧煤。5煤層厚度平均2.6m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層傾角4°～10°，煤種牌號(hào)貧煤，煤巖類型半亮型。4煤層至5煤層間距：5～16m，平均10m左右。

地質(zhì)構(gòu)造情況：Ⅲ54采區(qū)下部從煤層底板等高線走向形態(tài)看，為一個(gè)小型褶曲，東邊采區(qū)邊界處為一背斜構(gòu)造（戴莊背斜），背斜軸近乎與邊界線平行。中間有一向斜構(gòu)造，向斜軸位于Ⅲ54采區(qū)下部進(jìn)風(fēng)進(jìn)料石門的左翼。因此，左翼工作面掘進(jìn)會(huì)出現(xiàn)巷道起伏;右翼基本為單斜構(gòu)造，巷道沿煤層傾向施工，為上山掘進(jìn)，煤層傾角變化不大。斷裂構(gòu)造從下部勘探鉆孔揭露的煤層厚度資料，底板標(biāo)高變化，煤層傾角的變化上分析，預(yù)計(jì)出現(xiàn)落差H=5.0m以上斷層可能性不大;但從采區(qū)上部已回采過的工作面地質(zhì)情況看，中、小斷層較發(fā)育，對(duì)生產(chǎn)造成一定影響，預(yù)計(jì)下部工作面在掘進(jìn)和回采過程中也會(huì)遇到類似情況。Ⅲ54采區(qū)下部的4煤和5煤均有巖漿侵蝕，其中4煤侵蝕較嚴(yán)重，左翼大部分和右翼下部都不可采?？刹煞秶s占下部采區(qū)面積的3/10;5煤左翼受巖漿侵蝕面積較小，約0.12km2，但不可采。右翼侵蝕面積較大，約 0.45km2，侵蝕區(qū)內(nèi)煤厚1.7～2.5m，在可采范圍內(nèi)。從下部Ⅲ4423機(jī)聯(lián)上山和Ⅲ54下部回風(fēng)聯(lián)絡(luò)上山見5煤層（中間有一層巖漿巖，厚度0.3～0.5m）情況分析，預(yù)計(jì)右翼巖漿侵蝕區(qū)內(nèi)的5煤層中有一層或二層巖漿巖。

頂?shù)装迩闆r：Ⅲ54采區(qū)的4煤層直接頂板為灰～深灰色泥巖，塊狀、含植物葉片化石，厚1.0～3.0m;往上為灰色砂質(zhì)泥巖，厚3.0～5.0m;再往上依次為灰白色細(xì)砂巖，厚3.0～8.0m，灰黑色粉砂巖，厚1.0～6.0m;3煤層，變質(zhì)為天然焦，厚0.15～1.3m，其上為巖漿巖，厚8～12m。Ⅲ54采區(qū)4煤的直接底板為灰黑色泥巖或砂質(zhì)泥巖，含植物根莖化石，厚1.5～4.0m;往下為灰白色中、細(xì)粒砂巖，厚2.5～8.0m;再往下依次為灰黑色砂質(zhì)泥巖1.0～4.0m;五煤層，厚2.0～3.6m;灰～灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚2.0～4.0m，底部有0.1m厚煤線;灰白色細(xì)砂巖，厚3.0～6.0m，底部有0.2～0.4m厚煤線;灰色砂質(zhì)泥巖，厚10m左右;灰白色鋁質(zhì)泥巖，厚3.0～5.0m。

2 朱莊煤礦54采區(qū)Ⅲ4423工作面瓦斯災(zāi)害動(dòng)態(tài)治理

根據(jù)火成巖侵蝕對(duì)煤層改造和瓦斯儲(chǔ)集規(guī)律的研究可以看出，在煤層有火成巖侵蝕時(shí)將對(duì)瓦斯的儲(chǔ)集形成兩種結(jié)果，如果改造后的煤層裂縫與圍巖裂隙溝通時(shí)，則瓦斯將通過圍巖裂隙逸散至圍巖中或地表，形成低瓦斯區(qū)域;如果沒有與圍巖裂隙溝通，或圍巖亦由致密巖層組成時(shí)，則在火成巖切割的局部區(qū)域形成高瓦斯區(qū)域。因此，從優(yōu)化瓦斯治理目標(biāo)出發(fā)，針對(duì)本礦34423工作面的瓦斯治理采用動(dòng)態(tài)綜合治理措施。

2.1 工作面較低瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域的治理措施

因火成巖的侵蝕，使工作面煤層的局部區(qū)域瓦斯因煤層裂隙與圍巖裂隙通道溝通而使瓦斯積聚較少，為此，Ⅲ4423工作面瓦斯的治理，則以風(fēng)排瓦斯為基礎(chǔ)，考慮在4煤采動(dòng)時(shí)，鄰近煤層3煤和5煤瓦斯的涌入，故采用高位鉆場和采空區(qū)埋管抽放瓦斯的治理措施，如圖1所示。利用高位鉆孔抽放Ⅲ4423工作面采空區(qū)裂隙帶內(nèi)的瓦斯，既可抽放3煤煤層內(nèi)的瓦斯，又可抽放積聚在4煤采空區(qū)頂板裂隙帶的大量瓦斯，確保4煤采空區(qū)上隅角的瓦斯?jié)舛炔怀蕖Ｔ冖?423工作面每距70～80m左右，沿4煤的頂板作鉆場，鉆場尺寸為長（5.8m）×寬（4m）×高（1.8～2.2m），具體見圖1所示。鉆場內(nèi)布置6個(gè)鉆孔，布置形式主要為“三高三低”，鉆孔壓茬距離為30m，三高鉆孔用于抽放3煤的卸壓瓦斯，三低鉆孔用于抽放本煤層4煤采空區(qū)遺留瓦斯及過鉆場時(shí)提前解決上隅角的瓦斯，鉆孔孔徑為108mm。

因4煤與5煤間距較近，為了防止開采4煤時(shí)，5煤的瓦斯大量涌入采煤工作面，同時(shí)為了人為誘導(dǎo)5煤瓦斯沿下行鉆孔的孔道和采空區(qū)垮落后產(chǎn)生集中應(yīng)力產(chǎn)生新裂隙而涌入采空區(qū)，保證5煤的安全開采，沿Ⅲ4423工作面風(fēng)巷每隔20m作下行孔鉆場，鉆場和鉆孔的施工參數(shù)如圖2所示。

2.2 工作面高瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域的治理措施

在Ⅲ4423工作面局部區(qū)域，由于火成巖的侵蝕、穿插和分割作用，使4煤煤層在開采實(shí)際中出現(xiàn)多個(gè)瓦斯幾個(gè)局部瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域，源于煤層瓦斯在圍巖致密的條件下，無法通過裂隙系統(tǒng)向周圍逸散，如頂板為巨厚火成巖時(shí)，就會(huì)在煤層及頂板巖層內(nèi)大量儲(chǔ)集，形成高瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域，則僅靠高位鉆場的斜交鉆孔尚難保證綜采工作面瓦斯?jié)舛炔怀?，因此，在遇到此種情況下，則在較低瓦斯儲(chǔ)集區(qū)域的基礎(chǔ)上，局部采用順層鉆孔對(duì)該區(qū)域進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。鉆距為5m，鉆孔布置如圖3所示。

圖3 ?朱莊煤礦Ⅲ4423工作面順層鉆孔布置示意圖

3 Ⅲ54采區(qū)Ⅲ4423工作面瓦斯災(zāi)害動(dòng)態(tài)優(yōu)化治理結(jié)果分析

為了考察Ⅲ4423工作面瓦斯實(shí)施動(dòng)態(tài)綜合治理的效果，選?、?423工作面回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^大的時(shí)間段進(jìn)行分析。2011年1月1日至4月29日的Ⅲ4423工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測原始記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，在近4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，Ⅲ4423工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染?.7%以下，滿足煤礦安全規(guī)程要求，為煤礦生產(chǎn)提供了有利的安全保障。同時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)的防治措施和瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)確定，需高位鉆場和低位鉆場各14個(gè)，順層鉆孔102個(gè)，高位鉆場內(nèi)鉆孔84個(gè)，低位鉆場鉆孔52個(gè)，而通過治理方案優(yōu)化后，實(shí)際施工高位鉆場8個(gè)（還有兩個(gè)待施工），低位鉆場2個(gè)，順層鉆孔20個(gè)，則節(jié)約高位鉆場數(shù)4個(gè)，節(jié)約高位鉆場鉆孔工程量=4鉆場×6鉆孔/鉆場×110m=2640m;節(jié)約低位鉆場12個(gè)，低位鉆孔工程量=12鉆場×3鉆孔/鉆場×45m=1620m;節(jié)約順層鉆孔工程量=82個(gè)×50m/個(gè)=4100m。按鉆孔100元/m和鉆場4000元/m，計(jì)算節(jié)約瓦斯治理成本如表1所示。

表1 ?朱莊煤礦Ⅲ4423工作面瓦斯治理動(dòng)態(tài)優(yōu)化后

節(jié)約成本計(jì)算一覽表

[工程名稱＼&單位＼&節(jié)約量＼&單價(jià)（萬元）＼&節(jié)約成本（萬元）＼&高位鉆場

低位鉆場

高位鉆孔工程量

低位鉆孔工程量

順層鉆孔工程量

合計(jì)＼&個(gè)

個(gè)

m

m

m

＼&4

12

2640

1620

4100

＼&3.6

0.8

0.01

0.01

0.01

＼&21.6

9.6

26.4

16.2

41.0

114.8＼&]

4 結(jié)論

由于各煤層賦存條件的復(fù)雜性，給瓦斯災(zāi)害治理帶來艱巨性和綜合性，在火成巖侵蝕條件下，煤層物性和瓦斯儲(chǔ)集運(yùn)移特性將有所改變。通過對(duì)朱莊煤礦Ⅲ54采區(qū)Ⅲ4423工作面的瓦斯治理實(shí)踐表明，對(duì)本工作面內(nèi)分區(qū)域?qū)嵤┎煌膬?yōu)化防治措施，不僅保證了回采時(shí)回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)，滿足煤礦安全規(guī)程要求，而且與傳統(tǒng)的防治方案比較，可節(jié)約大量的瓦斯治理成本，通過計(jì)算可得，Ⅲ4423工作面瓦斯治理成本可節(jié)約114.8萬元。因此，對(duì)瓦斯災(zāi)害的局部治理采用優(yōu)化的綜合治理措施，值得在其它礦井類推廣應(yīng)用。

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