阳泉矿区位于山西省东部,矿区总面积1 105 km2,地质储量107.3亿t,矿区主要含煤地层为石炭系太原组和二迭系山西组,煤系地层总厚度180 m,含煤15层,煤层倾角一般5°~10°,主采煤层为3号、12号、15号煤层,煤质均为变质程度较高的无烟煤。
阳泉矿区在煤炭行业是有名的高瓦斯矿区,而阳煤集团矿井高瓦斯尤其明显。阳煤集团现有6对矿井开采15号煤,共布置13个综采放顶煤工作面,主要采用低位、中位和轻型3种类型的支架。综放工作面瓦斯绝对涌出量达到了35 m3/min~150 m3/min,而且开采15号煤层有自然发火危险。
1 综放工作面瓦斯涌出规律及分布状态的研究
(1)阳泉矿区15号煤层上部赋存14层煤和3层(K1,K3,K2)石灰岩,均含瓦斯。其中3号煤具有煤与瓦斯突出危险。通过对阳泉矿区大量综放面生产过程中瓦斯涌出量的分析,得出了综放工作面瓦斯涌出主要由本煤层和上邻近层瓦斯涌出构成。本煤层瓦斯涌出较小,约占工作面总瓦斯涌出量的10%,邻近层瓦斯涌出约占90%。
(2)利用三维稳定渗流流场数学模型解算综放工作面流场分布状态,综放工作面配风800 m3/min~1 000 m3/min,从工作面进入采空区34 m~70 m范围内存在紊流与层流混合过渡区,从工作面进入采空区70 m以后,为层流区,气体处于渗流流动状态,瓦斯大量积存,且浓度较高。
2 综放工作面邻近层瓦斯抽放技术研究
(1)通过对综放工作面上覆岩层瓦斯活动规律的研究,综放工作面开采过程中,从岩石破坏角度分析,确定存在冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。冒落带与裂隙带分界明显,最初冒落时,冒落带之间有可见之空间,压实区冒落带岩石排列紊乱无序且破碎,裂隙带岩石排列有序,破坏程度小。
综放工作面开采过程中,从瓦斯卸压涌出角度确定,顶板岩石存在:
第一,卸压开始期,为工作面前方5 m至采空区后方30 m范围;
第二,顶板岩石卸压活跃期,为工作面采空区后方30 m~129 m范围;
第三,顶板岩石卸压衰退期,为工作面采空区后方129 m压实区。
(2)根据综放工作面瓦斯涌出及来源特点,通过在阳煤集团多个综放工作面瓦斯抽放试验,总结得出瓦斯抽放通道合适的布置层位为7~10倍采高。
采用顶板走向高抽巷抽放上邻近层瓦斯,在正常开采期间瓦斯抽放率达到90%以上,平均抽放量50 m3/min左右。抽出率高,通风负担最小,能保证综放工作面回采期间风排瓦斯质量分数保持在0.5%以下。