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[摘要]大倾角煤层一般都经历过强烈的地质变动，地质构造较复杂，瓦斯赋存极不稳定，本文以石台矿业III313工作面为例，分析大倾角首采工作面瓦斯赋存规律，以及复杂地质构造对瓦斯涌出特征的影响，提出瓦斯综合治理措施，为III313首采面安全高效回采提供技术支持。
[关键词] 大倾角煤层 瓦斯涌出特征 瓦斯治理
中图分类号：TD712 文献标识码：A
1 引言
石台矿井共有三个水平，一水平、二水平都处于残采期，今后石台矿的采掘重点将集中在三水平，Ⅲ1采区位于黄庄向斜临近轴部的一翼，首采工作面Ⅲ313为大倾角复杂地质构造煤层，工作面走向435m，斜长140m，煤厚2.6～6.7 m，平均2.8m，倾角30°～45°，平均38°。采区内断层多为张性断层，落差在10m～50m的断层2条，为DF5、DF7，10m以下的小断层发育较多，对回采有一定的影响。工作受火成岩侵蚀影响，局部为天然焦顶。在回采前要对Ⅲ313首采工作面瓦斯赋存情况和涌出特征进行研究，确保工作面安全高效试采。
2 Ⅲ313首采工作面瓦斯赋存规律研究
2.1 Ⅲ313首采工作面瓦斯压力分布规律
石台煤矿III1采区3煤瓦斯压力测定结果见表1。
Table 1. Gas pressure in coal seam 3， Panel III1 of Shitai Coal Mine
表1. 石台矿III1采区3煤瓦斯压力测定结果
编
号 测压地点 标高/m 方位 测压
方法 封孔
材料 压力
/MPa
1# III1采区总回风巷（9点退后25m） -426 倾向 直接法 水泥浆 0.27
2# III1采区二阶段石门 -493 倾向 直接法 水泥浆 0.17
3# III1采区运输机下段上部通道 -507.5 倾向 直接法 水泥浆 0.33
4# III1采区四阶段石门车场 -582 倾向 直接法 水泥浆 0.54
5# III1采区主暗斜井（下10点前15m） -641 走向 直接法 水泥浆 0.64
6# III1采区人行上山（下行1点前14m） -655 走向 直接法 水泥浆 0.66
根据国内外在煤层瓦斯压力大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加。瓦斯梯度表征的是甲烷带内煤层瓦斯压力随埋藏深度变化而变化的情况的物理量。在不同标高处测定几处瓦斯压力值，然后进行汇总分析可得到瓦斯压力梯度C。
1石台煤矿III1采区3煤瓦斯压力梯度曲线如图1。
从上面的分析可以看出，根据瓦斯压力梯度定义可知煤层内的瓦斯压力变化应是连续的，结合瓦斯压力现场测定结果，获得III1采区3煤层的瓦斯压力分布规律公式：
P = - 0.0017×H - 0.4631 （1）
式中：P— 煤层瓦斯压力，MPa；H— 煤层底板标高，m。
石台煤矿III1采区3煤层的瓦斯压力梯度为0.0017 MPa/m，最大瓦斯压力为0.72 MPa（以下均为表压）。Ⅲ313工作面标高范围为-405～-476m，根据瓦斯压力梯度公式推测，瓦斯压力最小0.23 MPa，最大0.35MPa，平均0.29 MPa。
2.2 煤层瓦斯含量分布规律
工作面煤样的工业分析结果如表2所示，采用间接法测定煤的瓦斯含量，瓦斯含量见表2。
Table 2. Gas pressure and calculated gas content
表2. 瓦斯壓力和瓦斯含量的推算值
煤层 见煤标高/m 埋深/m 瓦斯压力/MPa 瓦斯含量/m3/t
3煤 -400 433 0.21 3.09
3煤 -500 533 0.39 4.37
3煤 -600 633 0.55 5.47
3煤 -700 733 0.72 6.43
由上表可知石台煤矿III1采区3煤层推测最大瓦斯含量6.43 m3/t，Ⅲ313首采面的最大瓦斯含量为4.01 m3/t。III1采区3煤层瓦斯含量和标高关系分布见图2。
3 复杂地质构造对Ⅲ313工作面瓦斯涌出特征的影响
3.1 大倾角对煤层瓦斯涌出特征的影响
大倾角工作面受采动影响，采空区冒落的顶板岩块向下滚落，形成采空区沿倾斜方向不同的充填特征：下段填实，上段可能充填不实；改变老顶支撑条件，使下段老顶因失稳运动受到限制而基本不垮落，采空区上段形成了较大的悬顶区域未得到充填，使得上覆岩层破坏形成的冒落带、裂隙带高度加大，采空区漏风使大量采空区瓦斯被风流带出，在上隅角附近积聚。
3.2 岩浆侵蚀对煤层瓦斯涌出特征的影响
本采区取含瓦斯煤样两个，位于97-1孔的煤，其底板标高为-550.67 m，瓦斯含量为7.32 m3/t，瓦斯压力近似值为0.53 Mpa；位于97-5孔的天然焦，其底板标高为-666.09 m，瓦斯含量为4.47 m3/t，瓦斯压力近似值为0.15 Mpa，取样结果说明天然焦中瓦斯含量及瓦斯压力比煤层中小得多。
煤层因受岩浆侵蚀烘烤影响，煤的孔隙率增大大，中孔、大孔较发育，一般占总孔隙体积的比例在70%以上，说明在岩浆侵入地带，煤层的透气性及煤层中瓦斯的运移性较好，在岩浆侵入后煤层中瓦斯绝大部分已释放，瓦斯含量小。但同一井田内在岩浆岩环抱煤层地段或远程烘烤作用地段，叠加热作用将加速煤中有机质发生热解成烃作用，并可使煤层瓦斯含量增大；此外，在地层深部未受岩浆侵蚀现代地温增高区地段，煤的瓦斯含量也增大，在这些地段煤炭开采时将出现瓦斯涌出异常，这是煤炭开采时必须引起足够重视的问题。 受岩浆岩侵蚀煤层瓦斯组分中CH4含量不高， CO2含量较高，且含有重烃；而未受岩浆岩侵蚀影响煤层瓦斯组分中以CH4为主，且不含重烃。因此，在岩浆岩侵蚀区开采时虽然瓦斯涌出量不大，但应注意CO2，因其所占比例较高，而可能引起的安全隐患。
3.3 断层发育对瓦斯涌出特征的影响
本次研究过程中，特别对Ⅲ313工作面掘进煤巷揭露落差10m以下小断层及揭露断层前后的瓦斯涌出数据进行了统计分析，由于区里多为张性断层，瓦斯涌出量并无明显变化，且有略微降低趋势。而在少部分地区瓦斯涌出量却明显增大。Ⅲ1采区运输上山上段掘进时遇到一落差6.0m的正断层，瓦斯涌出也呈现异常增大现象。
3 III313工作面瓦斯综合治理技术
3.1 通风法
由于大倾角工作面冒落带、裂隙带高度比一般工作面要大，上段采空区易空顶，采空区的漏风较大，在回采过程中风巷底鼓和变形十分严重，通风断面仅达到2～3m2左右，通风阻力加大。在此种情况下，如果盲目的提高工作面面风量，采面瓦斯浓度虽有所降低，但上隅角和回风流瓦斯浓度却呈显著上升，其原因是加大风量后，采空区漏风加大，大量的瓦斯由采空区涌向上隅角，致使上隅角和回风流瓦斯超限更趋严重，要保持工作面通风在一定的范围内，根据瓦斯涌出情况适当调节工作面的风量，既满足稀释工作面涌出的瓦斯，又保证采空区瓦斯不会大量涌出。
3.2 充填法
大倾角工作面上段采空区容易形成较大的空顶区域，工作面上隅角要及时回柱、收角、缩小上隅角空间。如果上隅角空间过大，要用编织袋装填煤矸进行充填，每进两刀填充一次，消除上隅角瓦斯积聚的空间。工作面下隅角也要及时采取充填堵漏措施，上、下隅角充填实茬，可以有效封堵采空区漏风，从而减少了老塘瓦斯涌出。
3.3 抽放法
1）顺层长钻孔采前预抽煤体瓦斯
在机巷和风巷沿煤层倾斜方向施工顺层倾向长钻孔，如图3，在距工作面切眼10米处开始，向外每隔4米布置一个顺层钻孔，平均孔深孔深70～80m，孔径Φ75 mm，采用聚氨脂材料封孔，封孔深度不小于10米，抽放支管为Φ100 mm PE管，干管采用Φ250 mm薄铁皮管。当煤厚小于3m区域，采用单层钻孔顺层预抽，在煤厚大于3m区域，采用空间交叉顺层钻孔预抽。工作面回采前连接抽放管路，抽放流量为1～3m3/min，抽放浓度为5～15%。煤层瓦斯预抽率可达到32.78%，对降低煤壁瓦斯涌出量及防止煤与瓦斯突出起到了一定的作用。图3：
2）上隅角埋管抽排。
回采期间工作面上隅角采用埋管抽放，即沿工作面风巷上帮向老塘敷设一路Φ250mm薄铁皮路，管路伸入老塘20-40米，管端距底板1200mm以上。回采过程中，每20米提前预埋一个三通管，交替前进，以保证老塘内埋管在20--40米。
采区要及时对预埋抽采管路进行保护，管口周围要采用方木打井字形木垛，木垛高度要高于管路，四周用不可燃材料充填，软管用两根道木顺在两侧保护，上面盖上木料，铁皮管路用皮带机皮包扎，包扎长度自老塘側向后15m。如图4
3）高位钻孔抽放。
如图5所示，先在回风巷内每隔80～90m施工一个高位钻场，钻场长5米、宽2.5米、高2.8米；钻场内平台距3煤层顶板法距4m，钻场内施工8个钻孔，呈四高四低布置，深孔110 m ，钻孔孔径
为Φ133 mm，，封孔采用Φ100mm钢管，封孔材料采用聚氨脂，封孔深度不小于8米。
在打钻作业中，通过合理设计钻孔的空间位置，使终孔落在距煤层顶板法距25m～30m的裂隙带中，从而达到最佳抽放效果。根据经验，煤层倾角越大，高位钻孔距回风巷的平距越短，这样才能达到很有效地抽采效果，确定平距为5～10m。
图5. 高位钻场抽放冒落拱瓦斯
4 结论
1）受黄庄向斜影响，III1采区煤层倾角较大，由于大倾角工作面特殊的矿压显现，导致回采期间上隅角空顶面积大，瓦斯治理较困难，在回采期间，上、下隅角都要及时回柱收角并充填堵漏。
2）岩浆侵入煤层，形成一个热力变质带，按距侵入体由近到远依次为天然焦、高变质煤、低变质煤，逐渐转成正常煤。岩浆侵蚀区域煤的孔隙率增大，瓦斯释放快，导致天然焦中瓦斯含量及瓦斯压力较小，但在岩浆侵蚀弱区，受岩浆烘烤影响，煤中有机质发生热解成烃作用，煤体瓦斯含量和瓦斯压力相对较高。
3）张性大断层是煤体瓦斯释放的良好通道，但由此派生的小断层局部瓦斯赋存不稳定，受采掘影响，原始压力平衡遭到破坏，会导致瓦斯异常涌出。因此，在工作面过断层期间，要加强瓦斯观测和治理。
4）工作面回采前用顺层长钻孔预抽煤体瓦斯，有效降低煤体瓦斯含量，在回采期间采用上隅角埋管、高位钻孔结合顺层孔抽放，并实行煤层动压注水，达到了有效降低工作面在回采期间瓦斯涌出量，确保Ⅲ313首采工作面安全高效回采。
[关键词] 大倾角煤层 瓦斯涌出特征 瓦斯治理
中图分类号：TD712 文献标识码：A
1 引言
石台矿井共有三个水平，一水平、二水平都处于残采期，今后石台矿的采掘重点将集中在三水平，Ⅲ1采区位于黄庄向斜临近轴部的一翼，首采工作面Ⅲ313为大倾角复杂地质构造煤层，工作面走向435m，斜长140m，煤厚2.6～6.7 m，平均2.8m，倾角30°～45°，平均38°。采区内断层多为张性断层，落差在10m～50m的断层2条，为DF5、DF7，10m以下的小断层发育较多，对回采有一定的影响。工作受火成岩侵蚀影响，局部为天然焦顶。在回采前要对Ⅲ313首采工作面瓦斯赋存情况和涌出特征进行研究，确保工作面安全高效试采。
2 Ⅲ313首采工作面瓦斯赋存规律研究
2.1 Ⅲ313首采工作面瓦斯压力分布规律
石台煤矿III1采区3煤瓦斯压力测定结果见表1。
Table 1. Gas pressure in coal seam 3， Panel III1 of Shitai Coal Mine
表1. 石台矿III1采区3煤瓦斯压力测定结果
编
号 测压地点 标高/m 方位 测压
方法 封孔
材料 压力
/MPa
1# III1采区总回风巷（9点退后25m） -426 倾向 直接法 水泥浆 0.27
2# III1采区二阶段石门 -493 倾向 直接法 水泥浆 0.17
3# III1采区运输机下段上部通道 -507.5 倾向 直接法 水泥浆 0.33
4# III1采区四阶段石门车场 -582 倾向 直接法 水泥浆 0.54
5# III1采区主暗斜井（下10点前15m） -641 走向 直接法 水泥浆 0.64
6# III1采区人行上山（下行1点前14m） -655 走向 直接法 水泥浆 0.66
根据国内外在煤层瓦斯压力大量的测定结果，在甲烷带内，煤层的瓦斯压力随深度的增加而增加，多数煤层呈线性增加。瓦斯梯度表征的是甲烷带内煤层瓦斯压力随埋藏深度变化而变化的情况的物理量。在不同标高处测定几处瓦斯压力值，然后进行汇总分析可得到瓦斯压力梯度C。
1石台煤矿III1采区3煤瓦斯压力梯度曲线如图1。
从上面的分析可以看出，根据瓦斯压力梯度定义可知煤层内的瓦斯压力变化应是连续的，结合瓦斯压力现场测定结果，获得III1采区3煤层的瓦斯压力分布规律公式：
P = - 0.0017×H - 0.4631 （1）
式中：P— 煤层瓦斯压力，MPa；H— 煤层底板标高，m。
石台煤矿III1采区3煤层的瓦斯压力梯度为0.0017 MPa/m，最大瓦斯压力为0.72 MPa（以下均为表压）。Ⅲ313工作面标高范围为-405～-476m，根据瓦斯压力梯度公式推测，瓦斯压力最小0.23 MPa，最大0.35MPa，平均0.29 MPa。
2.2 煤层瓦斯含量分布规律
工作面煤样的工业分析结果如表2所示，采用间接法测定煤的瓦斯含量，瓦斯含量见表2。
Table 2. Gas pressure and calculated gas content
表2. 瓦斯壓力和瓦斯含量的推算值
煤层 见煤标高/m 埋深/m 瓦斯压力/MPa 瓦斯含量/m3/t
3煤 -400 433 0.21 3.09
3煤 -500 533 0.39 4.37
3煤 -600 633 0.55 5.47
3煤 -700 733 0.72 6.43
由上表可知石台煤矿III1采区3煤层推测最大瓦斯含量6.43 m3/t，Ⅲ313首采面的最大瓦斯含量为4.01 m3/t。III1采区3煤层瓦斯含量和标高关系分布见图2。
3 复杂地质构造对Ⅲ313工作面瓦斯涌出特征的影响
3.1 大倾角对煤层瓦斯涌出特征的影响
大倾角工作面受采动影响，采空区冒落的顶板岩块向下滚落，形成采空区沿倾斜方向不同的充填特征：下段填实，上段可能充填不实；改变老顶支撑条件，使下段老顶因失稳运动受到限制而基本不垮落，采空区上段形成了较大的悬顶区域未得到充填，使得上覆岩层破坏形成的冒落带、裂隙带高度加大，采空区漏风使大量采空区瓦斯被风流带出，在上隅角附近积聚。
3.2 岩浆侵蚀对煤层瓦斯涌出特征的影响
本采区取含瓦斯煤样两个，位于97-1孔的煤，其底板标高为-550.67 m，瓦斯含量为7.32 m3/t，瓦斯压力近似值为0.53 Mpa；位于97-5孔的天然焦，其底板标高为-666.09 m，瓦斯含量为4.47 m3/t，瓦斯压力近似值为0.15 Mpa，取样结果说明天然焦中瓦斯含量及瓦斯压力比煤层中小得多。
煤层因受岩浆侵蚀烘烤影响，煤的孔隙率增大大，中孔、大孔较发育，一般占总孔隙体积的比例在70%以上，说明在岩浆侵入地带，煤层的透气性及煤层中瓦斯的运移性较好，在岩浆侵入后煤层中瓦斯绝大部分已释放，瓦斯含量小。但同一井田内在岩浆岩环抱煤层地段或远程烘烤作用地段，叠加热作用将加速煤中有机质发生热解成烃作用，并可使煤层瓦斯含量增大；此外，在地层深部未受岩浆侵蚀现代地温增高区地段，煤的瓦斯含量也增大，在这些地段煤炭开采时将出现瓦斯涌出异常，这是煤炭开采时必须引起足够重视的问题。 受岩浆岩侵蚀煤层瓦斯组分中CH4含量不高， CO2含量较高，且含有重烃；而未受岩浆岩侵蚀影响煤层瓦斯组分中以CH4为主，且不含重烃。因此，在岩浆岩侵蚀区开采时虽然瓦斯涌出量不大，但应注意CO2，因其所占比例较高，而可能引起的安全隐患。
3.3 断层发育对瓦斯涌出特征的影响
本次研究过程中，特别对Ⅲ313工作面掘进煤巷揭露落差10m以下小断层及揭露断层前后的瓦斯涌出数据进行了统计分析，由于区里多为张性断层，瓦斯涌出量并无明显变化，且有略微降低趋势。而在少部分地区瓦斯涌出量却明显增大。Ⅲ1采区运输上山上段掘进时遇到一落差6.0m的正断层，瓦斯涌出也呈现异常增大现象。
3 III313工作面瓦斯综合治理技术
3.1 通风法
由于大倾角工作面冒落带、裂隙带高度比一般工作面要大，上段采空区易空顶，采空区的漏风较大，在回采过程中风巷底鼓和变形十分严重，通风断面仅达到2～3m2左右，通风阻力加大。在此种情况下，如果盲目的提高工作面面风量，采面瓦斯浓度虽有所降低，但上隅角和回风流瓦斯浓度却呈显著上升，其原因是加大风量后，采空区漏风加大，大量的瓦斯由采空区涌向上隅角，致使上隅角和回风流瓦斯超限更趋严重，要保持工作面通风在一定的范围内，根据瓦斯涌出情况适当调节工作面的风量，既满足稀释工作面涌出的瓦斯，又保证采空区瓦斯不会大量涌出。
3.2 充填法
大倾角工作面上段采空区容易形成较大的空顶区域，工作面上隅角要及时回柱、收角、缩小上隅角空间。如果上隅角空间过大，要用编织袋装填煤矸进行充填，每进两刀填充一次，消除上隅角瓦斯积聚的空间。工作面下隅角也要及时采取充填堵漏措施，上、下隅角充填实茬，可以有效封堵采空区漏风，从而减少了老塘瓦斯涌出。
3.3 抽放法
1）顺层长钻孔采前预抽煤体瓦斯
在机巷和风巷沿煤层倾斜方向施工顺层倾向长钻孔，如图3，在距工作面切眼10米处开始，向外每隔4米布置一个顺层钻孔，平均孔深孔深70～80m，孔径Φ75 mm，采用聚氨脂材料封孔，封孔深度不小于10米，抽放支管为Φ100 mm PE管，干管采用Φ250 mm薄铁皮管。当煤厚小于3m区域，采用单层钻孔顺层预抽，在煤厚大于3m区域，采用空间交叉顺层钻孔预抽。工作面回采前连接抽放管路，抽放流量为1～3m3/min，抽放浓度为5～15%。煤层瓦斯预抽率可达到32.78%，对降低煤壁瓦斯涌出量及防止煤与瓦斯突出起到了一定的作用。图3：
2）上隅角埋管抽排。
回采期间工作面上隅角采用埋管抽放，即沿工作面风巷上帮向老塘敷设一路Φ250mm薄铁皮路，管路伸入老塘20-40米，管端距底板1200mm以上。回采过程中，每20米提前预埋一个三通管，交替前进，以保证老塘内埋管在20--40米。
采区要及时对预埋抽采管路进行保护，管口周围要采用方木打井字形木垛，木垛高度要高于管路，四周用不可燃材料充填，软管用两根道木顺在两侧保护，上面盖上木料，铁皮管路用皮带机皮包扎，包扎长度自老塘側向后15m。如图4
3）高位钻孔抽放。
如图5所示，先在回风巷内每隔80～90m施工一个高位钻场，钻场长5米、宽2.5米、高2.8米；钻场内平台距3煤层顶板法距4m，钻场内施工8个钻孔，呈四高四低布置，深孔110 m ，钻孔孔径
为Φ133 mm，，封孔采用Φ100mm钢管，封孔材料采用聚氨脂，封孔深度不小于8米。
在打钻作业中，通过合理设计钻孔的空间位置，使终孔落在距煤层顶板法距25m～30m的裂隙带中，从而达到最佳抽放效果。根据经验，煤层倾角越大，高位钻孔距回风巷的平距越短，这样才能达到很有效地抽采效果，确定平距为5～10m。
图5. 高位钻场抽放冒落拱瓦斯
4 结论
1）受黄庄向斜影响，III1采区煤层倾角较大，由于大倾角工作面特殊的矿压显现，导致回采期间上隅角空顶面积大，瓦斯治理较困难，在回采期间，上、下隅角都要及时回柱收角并充填堵漏。
2）岩浆侵入煤层，形成一个热力变质带，按距侵入体由近到远依次为天然焦、高变质煤、低变质煤，逐渐转成正常煤。岩浆侵蚀区域煤的孔隙率增大，瓦斯释放快，导致天然焦中瓦斯含量及瓦斯压力较小，但在岩浆侵蚀弱区，受岩浆烘烤影响，煤中有机质发生热解成烃作用，煤体瓦斯含量和瓦斯压力相对较高。
3）张性大断层是煤体瓦斯释放的良好通道，但由此派生的小断层局部瓦斯赋存不稳定，受采掘影响，原始压力平衡遭到破坏，会导致瓦斯异常涌出。因此，在工作面过断层期间，要加强瓦斯观测和治理。
4）工作面回采前用顺层长钻孔预抽煤体瓦斯，有效降低煤体瓦斯含量，在回采期间采用上隅角埋管、高位钻孔结合顺层孔抽放，并实行煤层动压注水，达到了有效降低工作面在回采期间瓦斯涌出量，确保Ⅲ313首采工作面安全高效回采。