高瓦斯易自燃綜放工作面瓦斯防治技術(shù)研究

馬小輝 王 巖

(1.陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)小莊礦業(yè)公司,陜西 713600;2.煤炭科學(xué)研究總院沈陽研究院,遼寧 110016)

1 礦井及40106綜放工作面概況

彬長礦業(yè)集團(tuán)公司大佛寺煤礦主采煤層為侏羅紀(jì)4#煤層和4上煤層。4#煤層構(gòu)造簡單,賦存穩(wěn)定,厚度13.4～16.5m,平均厚度15.1m,屬于硬質(zhì)透氣性較好煤層,瓦斯解吸快。

40106綜放工作面是彬長公司大佛寺礦井下緊貼4#煤中央輔助運(yùn)輸大巷并在其東側(cè)沿煤層走向設(shè)計(jì)布置的第三個綜采工作面?；仫L(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽及灌漿巷沿煤層走向布置,兩順槽均沿煤層底板且留2m左右底煤布置;切眼垂直于兩順槽,沿煤層傾向布置;灌漿巷從輔助運(yùn)輸大巷開口,平行布置在回順外側(cè),相距30m凈煤柱。工作面巷道采用雙“U”型布置方式。

大佛寺401采區(qū)4#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)值如見表1。

表1 4#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)值

40106工作面初期選用兩進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng),后期選用三進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng)。40106回采工作面總配風(fēng)量為2040m3/min。

2 采后高位卸壓鉆孔瓦斯抽放原理

由巖石力學(xué)理論可知：煤層隨工作面回采,在工作面周圍將形成一個采動壓力場。采動壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成3個帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在水平方向上形成三個區(qū),即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)。

在“橫三區(qū)”,受采動影響煤壁游離瓦斯釋放,采空區(qū)殘煤釋放的瓦斯在垮落帶與重新壓實(shí)區(qū)形成瓦斯積聚層。在“豎三帶”中,裂隙帶內(nèi)的巖層裂隙發(fā)育,透氣性好,是瓦斯流動的通道,且受外界空氣流動影響小,形成瓦斯積聚的空間。

高位鉆孔布置在裂隙帶內(nèi),受采動影響較小,不易受到破壞。在抽放鉆孔的負(fù)壓作用下,瓦斯快速流動,使高位鉆孔能夠抽出高濃度瓦斯。

圖1 鉆孔布置示意圖

3 40106工作面瓦斯抽放

根據(jù)大佛寺煤礦實(shí)際生產(chǎn)及瓦斯治理經(jīng)驗(yàn),40106工作面主要采用采前、掘前預(yù)抽,采后卸壓抽放、上隅角埋管抽放和高位瓦斯抽放巷抽放及風(fēng)排瓦斯的綜合瓦斯治理措施。

3.1 采后高位卸壓鉆孔設(shè)計(jì)

在40106灌漿巷中每50m布置一組瓦斯抽放鉆孔,每組布置5～9個鉆孔,利用鉆孔抽放采空區(qū)內(nèi)的瓦斯,在本次實(shí)踐中共選擇施工不同層位卸壓鉆孔四種,觀察鉆孔共7組。

層位一：鉆孔終孔位置在煤層頂板。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上4m。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上12m。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上17m。

鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。

表2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 封孔工藝

大佛寺礦4#煤層含水量大、鉆孔孔徑大,選擇合適的封孔材料,對封孔效果和后期的抽放效果都有很大的影響。依據(jù)大佛寺礦和其他煤層賦存條件相似礦井封孔經(jīng)驗(yàn)考察,對不同封孔材料選取對比,最終選用馬麗散封孔。通過后期抽放效果檢驗(yàn)表明,選擇馬麗散材料封孔,遇水能更快發(fā)生反應(yīng),填堵孔壁裂隙,從而能大大提高抽放效率。

馬麗散是一種由樹脂和催化劑兩種成分組成的聚亞安酯產(chǎn)品,具有滲透性強(qiáng)、凝固時間短、強(qiáng)度大等特點(diǎn),在壓力的作用下能以液體狀態(tài)滲透到裂隙中,與水反應(yīng)形成致密的隔水層封閉水流,有效封閉鉆孔水。用它作封堵鉆孔及其內(nèi)滲水裂隙的封孔材料,具有極大的可行性。

鉆孔采用馬麗散封孔,馬麗散封孔采用卷纏藥液法及鉆孔內(nèi)封孔管結(jié)構(gòu)。

抽放管為外徑50mm的抗靜電塑料管,每根長為6m。每個鉆孔需抽放管9m,即1.5根抽放管,故每個鉆孔需要封孔9m。將第一根抽放管距端部1m處用鐵線纏緊固定一塊毛巾布 (1.2m×0.6m),毛巾上澆淋1.3kg馬麗散裹好并用鐵絲纏緊加固。每隔1m照此方法在抽放管上纏繞一個澆淋馬麗散的毛巾。兩根抽放管之間用連接管連接緊固。

孔口處用水泥砂漿密閉,避免封孔管晃動影響封孔質(zhì)量。

3.3 鉆孔與管路的連接

馬麗散封孔后,待完全膨脹凝固后鉆孔抽放管便可與抽放管路連接。鉆孔與管路連接處應(yīng)設(shè)置流量計(jì)和放水裝置,每個鉆場安設(shè)一個孔板流量計(jì)。鉆孔封孔器與抽放管路的連接,每個鉆場安裝一套氣水分離器。

4 瓦斯抽放效果分析

40106工作面生產(chǎn)期間,預(yù)測瓦斯涌出量76.45m3/min,工作面配風(fēng)量為2040m3/min。在工作面初采出放前期,上隅角在預(yù)設(shè)瓦斯抽放的情況下,上隅角袋子墻外瓦斯?jié)舛仍?.7%～0.9%左右。

從圖2分析,鉆孔終孔在煤層頂板位置時,瓦斯抽放濃度低且起伏大,抽放濃度平均在5%左右,不能更有效的解決上隅角瓦斯。

圖2 距工作面不同層位一鉆孔抽放濃度分布圖

鉆孔終孔在煤層頂以上4m時,瓦斯抽放濃度在距工作面28m前,幾乎沒有變化,平均在4%,無抽放價值,如圖3所示。

圖3 距工作面不同層位二鉆孔抽放濃度分布圖

從圖4分析,鉆孔終孔在煤層頂以上12m時,距工作面10m前瓦斯抽放濃度較低,平均為5%,不能有效解決工作面上隅角瓦斯;后期雖然抽放濃度較高,在10%～22%之間,且抽放周期短,給工作面防滅火帶來極大的不便。

圖4 距工作面不同層位三鉆孔抽放濃度分布圖

鉆孔終孔在煤層頂以上17m時,瓦斯抽放濃度基本穩(wěn)定在8%～14%之間,平均抽放濃度為10%,如圖5所示。由以上分析可以看出層位四鉆孔抽放濃度高且穩(wěn)定、抽放流量大。

圖5 距工作面不同層位四鉆孔抽放濃度分布圖

在鉆孔層位布置在頂板17m左右時,瓦斯抽放濃度穩(wěn)定在8%～14%左右,且持續(xù)時間較長,工作面上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷?.4%～0.5%之間,隨工作面推移,瓦斯?jié)舛容^為穩(wěn)定,能有效抽放瓦斯。

層位四鉆孔終孔布置在頂板17m左右處即位于頂板裂隙帶內(nèi),鉆孔布置在這個層位,頂板裂隙作為瓦斯流動通道,可以很好的抽放工作面煤壁以及上隅角涌出的瓦斯,能夠從源頭上截?cái)嘤咳牍ぷ髅娴耐咚?能更有效的解決工作面初采初放期間的工作面上隅角瓦斯抽放。

5 結(jié)論及建議

(1)大佛寺礦40106工作面采用利用采后高位卸壓瓦斯抽放鉆孔解決工作面上隅角瓦斯,層位四鉆孔布置在煤層頂板裂隙帶內(nèi)時,抽放濃度高且穩(wěn)定,有很好的抽放效果,使回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛却蟠蠼档?解決了上隅角瓦斯超限的問題,提高工作面安全生產(chǎn)能力,并能為下一步礦井瓦斯利用提供穩(wěn)定的高濃瓦斯。

(2)通過鉆孔封孔后及抽放期間觀察,采用馬麗散作為封孔材料能夠封堵鉆孔滲水裂隙,取得很好的鉆孔堵水效果,封孔效果得到很大提高,對后期的瓦斯抽放效果的提高起到了很大的作用。證明采用馬麗散作為含水量大的煤層抽放鉆孔封孔材料合理可行,為以后瓦斯抽放鉆孔封孔材料選擇提供借鑒及參考。

(3)通過采后卸壓瓦斯抽放鉆孔的優(yōu)化與抽放參數(shù)的調(diào)整,選擇合理綜合治理方法,采取行之有效的措施治理40106工作面的瓦斯,確保了安全生產(chǎn)。

(4)通過40106工作面采后卸壓瓦斯抽放鉆孔層位設(shè)計(jì)布置的分析研究,為抽放鉆孔設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù),更好的服務(wù)安全生產(chǎn)。

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治 [M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.

[2] 陳遠(yuǎn)平,俞啟香.中國煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展 [J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2(X)7,24(4)：383-390.

[3] 于不凡.提高礦井瓦斯抽采率的途徑 [J].煤炭工程師,1995,(2)：39-46.

[4] 賈寶財(cái),紀(jì)道榮,韓玉發(fā).頂板高抽鉆孔抽放瓦斯的應(yīng)用 [J].煤礦安全,2008,(6)：39-40.