突出煤层综放开采实践及安全可行性讨论

摘要：本文对汪家寨煤矿煤与瓦斯突出危险厚煤层综放开采过程中本煤层瓦斯治理情况进行分析，并对存在的深层次问题进行探讨，对工作面超前煤体状态进行分区，提出了综放开采具有煤与瓦斯突出危险厚煤层较同等条件下分层开采具有更高的安全性。

关键词：  综放开采   煤与瓦斯突出   瓦斯抽放  矿压  安全

1  概述

突出煤层综放开采一直是煤炭行业技术管理的禁区， 煤矿安全规程对具有煤与瓦斯突出危险煤层的综放开采是严禁的，而很多矿区多年来一直在进行技术探索和实践，取得了很好的经济效益和社会效益。我国综放开采技术发展已经走过了20多年的历程，在不断 完善各项技术的实践中，克服了一系列技术难题，积累了开采设计、生产工艺、岩层控制、设备配套、安全技术、资源回收、生产技术管理等方面一整套的理论和实践经验，实现了不同地质条件下不同层次的高产高效。从综放工作面矿压显现特征及本煤层瓦斯抽放实践分析可知，综放开采具有煤与瓦斯突出危险的厚煤层与分层开采相比，引发煤与瓦斯突出灾害的条件相对缓和，可减少煤与瓦斯突出的危险性。因而，研究突出煤层综放开采的安全可行性和通过采取预防措施后进行突出煤层综放开采实践是非常必要的，有利于煤矿企业的安全高效，实现较大的经济效益。

2   国家行业政策有关规定

能源部1992年版煤矿安全规程第64条规定：“煤与瓦斯（二氧化碳）突出的煤层……不得使用综合机械化放顶煤采煤。特殊情况必须制定安全技术措施报省煤炭局批准”。煤炭工业部煤生字（1995）第104号文件：关于印发<<综合机械化放顶煤开采技术暂行规定>>的通知第6条规定：“有煤与瓦斯（二氧化碳）突出煤层和发火期在三个月之内的易发火煤层不得使用综合开采；特殊情况需要综放时，必须报省（自治区）煤炭局（煤炭厅）批准”。很多矿区的突出煤层综放均是在1992版规程及煤炭部（1995）第104号文的背景下发展起来的。2001年版煤矿安全规程第一百八十三条规定；“突出煤层严禁采用放顶煤采煤法、……”。2004年版煤矿安全规程第一百八十三条规定：“突出煤层中的突出危险区、突出威胁区，严禁采用放顶煤采煤法、水力采煤法、非正规采煤法采煤。”到目前为止，全国尚无综放工作面发生突出现象的记录。

3   综放开采矿压显现一般认识

综放开采与单一煤层开采就是一次采高成倍增大，支架上方存在着破碎的、低强的顶煤，称为“柔性垫层”。由于“柔性垫层”的存在，上覆岩层形成的载荷需通过“柔性垫层”然后才施加到支架上。因此综放开采矿压显现具有以下一般规律：

（1）相同地质条件下，与单一煤层开采相比，综放开采的支承压力分布范围大，峰值点前移，工作面两巷受采动范围大，煤层愈软、愈厚，范围愈大，峰值点愈前移，但支承压力集中系数没有明显增大。

（2）架前立柱工作阻力一般大于后立柱10%～20%。松软破碎煤层片帮频繁，片帮一般呈倒梯形，靠支架顶梁处宽度可达3m，常伴随漏顶，一般将顶煤全部漏空，直至直接顶冒落。降低采高是控制综放工作面片帮的有效措施之一。汪家寨煤矿利用马丽散N高分子材料对顶煤进行化学超前加固也取得了明显的效果。

（3）根据采场周围支承压力分布可知，工作面前方存在自然卸压和瓦斯排放带，在这个带中进行采掘活动不发生突出，在此带中进行瓦斯抽放抽放量可成倍增加。卸压和瓦斯排放带宽度取决于自然条件和开采工艺：（1）、该带的宽度随煤层厚度增加而增加，（2）、时间因素对卸压带的形成有很大的影响，（3）、顶板悬梁将阻碍卸压和瓦斯排放带的形成，顶板悬背梁愈长，卸压和瓦斯排放带愈 ，（4）、随开采深度的增加卸压带宽度增加，（5）、与工作面形状有关，巷道隅角处尺寸最小。

4    瓦斯涌出规律及治理措施分析

以汪家寨煤矿P41101综放工作面瓦斯治理情况为例，开采的11＃煤层厚度3.1～11m，具有煤与瓦斯突出危险性，煤层直接顶为1.8～3.0m的灰色泥质粉砂岩，煤层底板为粘土岩、泥岩互层。煤层内部结理发育，层间滑动现象普遍存在，煤层松软破碎，软分层较多。该层煤在掘进过程中突出现象时有发生，建矿近40年来共发生过突出及动力现象49次，回采工作面没有发生过动力现象，1999年推广综采放顶煤技术。

本煤层瓦斯抽放采用封闭式高负压方式，钻孔布置方式有钻扇场扇形孔和非钻场平形孔两种，抽放管为Φ159mm无缝钢管，抽放负压一般末端大于100mmH2O，抽放瓦斯浓度一般为20％～30％。但当钻场距工作面煤壁70m时，抽放瓦斯浓度开始有所上升；60m～30m时，抽放瓦斯浓度缓慢上升；30m～10m范围，抽放瓦斯浓度急剧上升；而距工作面5m范围的煤体抽放瓦斯浓度急剧下降至0。工作面前方本煤层瓦斯抽放浓度变化趋势见图1。

从上图可以说明：由于综放开采一次采出的煤厚大，采动围岩（煤）运动激烈程度加大，采场支承压力峰值强度加大及峰值点向煤壁前方深入，给工作面前方煤体瓦斯运移通路构筑了良好的环境，大量吸附瓦斯析出进入抽放通道，即形成卸压瓦斯排放带，该带宽度可达30m。该可分为瓦斯排放带（煤壁前约10m）和瓦斯卸压带（煤壁前约10～30m），瓦斯卸压带的抽放浓度较高。而煤壁附近（10m以内）煤体内生裂隙已得以扩张，并出现许多次生裂隙，煤壁如眼可见纵纵横交错的裂缝，因此瓦斯已基本释放，使抽放浓度较低。实测突出危险敏感指标K1max一般小于0.3ml/g.min1/2。但一煤层综采本煤层瓦斯抽放曲线无明显的瓦斯浓度增高区，说明一般只在煤壁附近形成瓦斯排放带，无明显的瓦斯卸压带。

5  综放工作面瓦斯短时增大原因分析及防治

生产实践中经常出现瓦斯短时间内超限，主要为以下几种情况：

（1）周期来压期间，煤壁片帮、漏顶时，回风瓦斯浓度增大0.4～0.6％，绝对量增大4.8～8.4m3/min。分析原因主要是工作面煤体及落煤瓦斯大量涌出所至，一般维持1～2天，周期来压步距为9～10m。这种情况一般处理方法为工作面、回风巷停电撤人，停止生产，待瓦斯浓度降到安全值以下时方可恢复生产，即间断生产。

（2）采煤机组在工作面上出口时，如上出口不畅通，则风流串到支架顶部及采空区将高浓度瓦斯带出造成瓦斯超限。解决办法为加强现场管理，上、下出口开超前出口，保证风流畅通；另外当采煤机组在工作面机尾15m范围内作业时，采取单行作业，严禁放煤、拉移支架。

（3）放煤和机组割煤时，回风瓦斯浓度一般增大0.2～0.4％，绝对量增大2.4～5.6m3/min，瓦斯超限时间不长或基本不超限，可正常生产，但应尽量减少采放平行作业，减少瓦斯短时超限次数，从而保证设备正常运转，减小因停电而造成设备重负荷启动。瓦斯易积聚区域分析及防治局部瓦斯易积聚区域大致有上隅角、回风巷靠煤壁段上帮条带、工作面上段20m范围内的支架顶部及煤壁区高顶、上出口附近顶部空洞及裂隙等。在上隅角附近，由于风流方向的改变和边界几何条件的限制，风流呈涡流形式，使瓦斯易于积聚。主要采取打隔离墙封堵、导风等措施。上帮条带瓦斯积聚处理方法采取风障导风、打墙隔离、钻孔抽放等方式进行处理。高顶瓦斯采取打高位钻孔抽放方式进行治理。高位钻孔每组4～6个，孔深50～70m，终孔布置位于支架顶板8～10m，以抽放煤壁支承压力超前裂隙煤体的卸压瓦斯为主，单孔最大抽放浓度56％，最小抽放浓度21％，抽放瓦斯量0.1～0.3m3/min。上述分析可知，综放工作面存在瓦斯瞬间涌出的现象，但仅发生在煤壁片帮时，且涌出量仅为每分钟几立方，远小于发生煤与瓦斯突出时的瓦斯涌出量。

6    综放开采突出煤层安全可行性分析

综放开采虽然采高较大，但工作面内采煤机落煤高度与分层开采并无多大差异，大量的顶煤借助矿山压力为动力通过后部输送机运出。因此在工作面后部有几倍采高的冒落顶煤被运走，使采空区空间较大，顶板形成的冒落带高度远大于分层开采，使采空区支撑应力恢复明显延长，由工作面开采引起的应力降低区扩大，应力从新分布区值提高，从而有更多的矿山压力集中作用在煤壁前方，使煤壁前方的应力集中带向煤壁深部转移，如图2示。

放顶煤开采引起的前方应力集中区靠前，减压区范围大，裂隙发育有利于瓦斯释放，工作面前方煤体内瓦斯压力梯度小，所以放顶煤工作面较分层开采不易积聚瓦斯，煤体中弹性能与应力的平方成正比，放顶煤开采引起的前方应力集中区靠前，减压区范围大，使弹性能积聚的区域远离工作面，煤壁附近的卸压区煤体起到了抵挡弹性能突然释放的作用。因而，可以认为，综放开采较同等条件下分层开采工作面的煤与瓦斯突出危险性相对降低。

6  综放开采防突措施

虽然从矿压角度分析综放开采突出煤层较分层开采突出危险性相对降低，但目前对突出机理的认识尚不足，而且煤矿井下地质条件复杂多变，有许多不可预知的因素存在，因此采取“四位一体”综合防突错施是非常必要的。

6.1    区域性防突措施

开采解放层和实施区域性预抽瓦斯是目前综放开采的常用区域防突措施。我国多矿区用开采解放层的预防性措施，成功开采了具有严重突出危险的煤层，如果将开采解放层与区域性瓦斯抽放同时进行效果会更好。汪家寨煤矿开采距突出危险煤层11＃层36m的上解放层7＃煤层前，底板瓦斯抽放巷钻孔内瓦斯抽放浓度小于30％，抽放1个月后，降至5％以下，单孔流量仅为0.0036m3/min；开采解放层后，抽放钻孔内瓦斯浓度可达90％以上，单孔流量可达0.22m3/min以上，增大近60倍，且抽放半年后，瓦斯浓度仍保持持在45％以上。

6.2  加强瓦斯地质工作，实施局部防突措施

煤与瓦斯突出与地质构造、煤层厚度变化、埋藏深度等关系密切。因此，加强瓦斯地质工作非常必要，对于构造复杂带、煤层厚度变化带等，应采取局部防突措施，常见措施有密集钻孔卸压、局部瓦斯抽放、煤层注水、煤体加固等。

7     结论

在煤与瓦斯突出危险煤层中，通过采取相应防突措施后，应用综放开采技术是安全可行的。因此，国家在制定法规时，在技术限制上不宜严禁。

参考文献：

（1）  煤矿安全规程[S ]。能源部。1992

（2）  煤矿安全规程[S ]。煤炭工业出版社。2001。

（3）  尚海涛，吴健等。高瓦斯及煤与瓦斯突出煤层的综放开采探讨[J ]。煤炭科学技术。2003（12）。

（4）  杨开贵。厚煤层综放开采矿压显现特征研究〔J〕。贵州煤炭。2004（4）。