桃山煤礦采煤工作面瓦斯綜合抽放技術研究

曲宏偉

(龍煤控股集團七臺河分公司桃山煤礦,黑龍江 七臺河 154600)

七煤集團桃山煤礦 1958年建成投產,設計能力為 75萬 t/年,根據瓦斯鑒定的結果,為高瓦斯礦井,隨著開采深度和強度的不斷加大,該礦一采區(qū)二水平瓦斯涌出量異常增大,嚴重制約采煤工作面的正常生產,在采區(qū)生產過程中經常出現采煤上巷回風流中瓦斯超限、采煤上隅角及工作面瓦斯超限,影響采煤面的安全生產。

42017工作面為一采區(qū)三水平 85#左一片,走向長 1 100m,傾斜寬度為 140m,工作面可采儲量為 14萬 t,煤層傾角為 21°～24°,煤層厚度為0.65～1.0m,平均厚度為 0.82 m,工作面標高為 -488.13～-428.13m,垂深為 -675 m,直接頂為灰黑色粉砂巖、厚度為 1.2 m,老頂為中砂粉細砂巖,厚度為3.75m,底板為黑色粉砂巖,厚度為1.27m。

1 覆巖瓦斯運移規(guī)律與瓦斯源分析

1.1 覆巖瓦斯運移規(guī)律分析

1)沿工作面推進方向,關鍵層下離層動態(tài)分布呈現兩階段發(fā)展規(guī)律,即關鍵層初次破斷前,隨著工作面推進,離層量不斷增大,最大離層位于采空區(qū)中部。

初次破斷后,關鍵層在采空區(qū)中部離層趨于壓實,而在采空區(qū)兩側仍各自保持一個離層區(qū)。從平面看,在采空區(qū)四周存在沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū),稱采動裂隙“O”形圈。

2)沿頂板高度方向,隨工作面推進離層呈跳躍式由下往上發(fā)展。

3)貫通的豎向裂隙是瓦斯涌入工作面的通道,在開采初期,下位關鍵層的破斷運動對“導氣”裂隙從下往上發(fā)展的動態(tài)過程起控制作用。當采空區(qū)面積達一定值后,“導氣”裂隙的分布也同樣呈“O”形圈特征,它是正?；夭善陂g鄰近層卸壓瓦斯流向采空區(qū)的主要通道,瓦斯鉆孔正是利用瓦斯這一運移規(guī)律。

1.2 礦井瓦斯源分析

桃山煤礦一采區(qū) 85#層左一片瓦斯含量,隨著埋深增加而顯著增大。而煤層的圍巖透氣性差,煤層變質程度好,揮發(fā)分高,也是造成本煤層瓦斯富含量高的主要原因。

42017采面及回風瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結果為：工作面不生產時風流瓦斯?jié)舛纫话銥?0.5%,回風流瓦斯?jié)舛冗_到 0.7%～0.8%,上隅角處瓦斯?jié)舛?1.2%～1.6%,造成回風瓦斯升高 0.2%～0.3%,這部分瓦斯主要是由于煤體瓦斯含量高,從煤體中釋放出飄散到軟幫支護空間,隨著工作面風流進入上隅角,回風、隅角成為采空區(qū)瓦斯的集中涌出源,另外,相對于空氣密度來說采空區(qū)含瓦斯空氣的密度較小,從而產生瓦斯風壓的自然上升力,必然使采空區(qū)內含高濃瓦斯的空氣向回風、隅角運移。使回風、隅角成為采空區(qū)高濃瓦斯集中涌出的地點,從而采煤工作面回流瓦斯?jié)舛仍龃?。當采煤機割煤時,采煤機下部煤層的瓦斯得到釋放,大量的瓦斯不斷涌出,隨著采煤工作面風流進入回風隅角、回風巷,從而使工作面及回風流瓦斯?jié)舛冗M一步增高,造成隨時都可能超限的狀態(tài),給安全生產帶來了極大的隱患。

2 桃山礦回采工作面瓦斯抽放技術

為防止一采區(qū) 42017瓦斯經常超限影響正常生產,該礦提出全方位立體式抽放瓦斯綜合技術措施。

2.1 高位水平長距離鉆孔抽放

根據 85#層左一片煤層瓦斯涌出規(guī)律及頂底板圍巖特點,確定在本工作面上巷布置 4個鉆場,間距分別為 130m、210m、177m、162m,鉆場規(guī)格為：5m×4m ×2.2m(長 ×寬 ×高),鉆場施工 3個鉆孔,鉆孔間距 0.5m,鉆孔終孔位置深入到頂板裂隙帶中,頂板裂隙帶位于煤層底板的法線距離 8m,裂隙帶不會因巖層活動的影響而中斷抽放效果,并考慮到 2個鉆場各鉆孔的壓茬取 25m,鉆孔的終孔位置必須在鉆孔的抽放半徑 20m以內,沿煤層傾角作扇形布置：1#鉆孔平行于上巷,2#鉆孔抽放半徑 15m以內,3#鉆孔抽放半徑 20m以內。1#鉆孔水平角為 0°,2#鉆孔水平角為 4°,3#鉆孔水平角為 6°。

2.2 密集孔大直徑抽排

針對高位鉆場原設計 3個鉆孔的實際情況,考慮到抽放泵還有一定的抽放能力,決定在第二個鉆場施工鉆孔時,將原來的 3個鉆孔增至 9個,將原來的孔徑 d94擴大到 d193,1#～3#鉆孔的抽放半徑不變,4#鉆孔在抽放半徑 10 m內,5#鉆孔在抽放半徑 12 m內,6#鉆孔在抽放半徑 16 m內,7#鉆孔在抽放半徑17m內,8#鉆孔在抽放半徑 18m內,9#鉆孔在抽放半徑 19m內;1#～3#鉆孔與上巷的水平角度不變,4#鉆孔與上巷水平角度為 2°,5#鉆孔與上巷水平角度為3°,6#鉆孔與上巷水平角度為 3.8°,7#鉆孔與上巷水平角度為 4.2°,8#鉆孔與上巷水平角度為 4.6°,9#鉆孔與上巷水平角度為 5°;孔深 240m。

2.3 仰角鉆孔抽放

為了更好地加大采場瓦斯抽放效果,決定在工作面上巷距超前支護外 40m處再布置仰角鉆場,共施工 10個鉆場,間距 30m,每個仰角鉆場施工 6個抽放鉆孔,鉆孔間距為 0.5m,增加圍巖的透氣性,為保證鉆孔的抽放濃度,鉆孔終孔位置必須深入頂板裂隙帶中,根據經驗計算,85#層頂裂隙帶位于距煤層底板法線距離 8 m,鉆孔的終孔位置在抽放半徑20m以內。

確定 6個鉆孔呈扇形布置,1#外孔盡量平行上巷,2#鉆孔在抽放半徑 4m以內,3#鉆孔在 8m以內,4#鉆孔 12m以內,5#鉆孔 16m以內,6#鉆孔 20m以內。1#鉆孔與上巷接近平行,2#鉆孔與上巷水平夾角為 4°,3#鉆孔與上巷水平夾角為 8.2°,4#鉆孔與上巷水平夾角為 12.3°,5#鉆孔與上巷水平夾角為 16.2°,6#鉆孔與上巷水平夾角為 19.9°。

2.4 工作面短孔先注水后抽排瓦斯

煤壁短孔注水是防治瓦斯突出的有效措施,42017采煤面開采過程中,在工作面距下巷 50～60m處為瓦斯壓力集中區(qū),因此,決定在 42017采煤工作面距下巷 30m處往上打瓦斯抽放鉆孔,孔深為 3m,鉆孔直徑為 42mm,孔間距 1.5m,工作全長 140m,在傾斜 110m區(qū)段中施工,用 15M Pa壓力注水,用特殊封孔器封孔,每孔注水 5m in,注水量約為 300 kg,上一個孔注水效果以下一個孔出水為標準,通過鉆孔注水后,使其滲入煤體的內部后使煤體得到均勻濕潤,同時又由于采煤工作面向前推進過程中,頂板周期來壓等變化,上覆巖層的垂直應力動力分布,集中應力對采煤工作面煤體進行破壞,使工作面前方煤體透氣性增強,利用 d159鋼線軟管聯(lián)接到上巷采空區(qū)埋管上進行抽放,在實行工作面短孔注水,后抽排瓦斯措施后,降低了生產過程中的瓦斯涌出量,生產過程中的回風流瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽看蟠蠼档汀?/p>

3 結 論

通過對 42017采煤工作面采取綜合治理措施,大大降低了回風流中的瓦斯?jié)舛燃肮ぷ髅嫱咚褂砍隽?抽放流量 20m3/m in,瓦斯?jié)舛?15%～20%,上隅角瓦斯?jié)舛仍?1.5%以下,有效解決上隅角、回風巷瓦斯超限問題。尤其短孔注水濕潤煤體同時,還起到有效防塵的作用。該工作面產量大幅度上升,采煤面由日產 600 t提高到日產 950 t,瓦斯治理效果明顯,為今后煤礦深部開采治理瓦斯積累一定的經驗。