薄煤層綜采面低位鉆孔瓦斯治理試驗(yàn)

王神虎，任智敏，胡耀青

（1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西 太原030024；2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原030031）

隨著中厚煤層資源的減少及煤炭資源需求的增加，要求產(chǎn)量不斷提升，高效開采薄煤層已成為煤炭行業(yè)的需要，薄煤層回采工作面過風(fēng)斷面小，受礦井總風(fēng)量及巷道風(fēng)速的限制，僅利用通風(fēng)的方法、不能有效的解決回采工作面的瓦斯涌出問題，瓦斯超限已成為制約薄煤層工作面高產(chǎn)高效的主要因素，且是重大危險隱患，為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法治理瓦斯超限技術(shù)［1－6］。受礦井條件不同等因素的影響，每種抽放方式的抽放效果及適應(yīng)條件還需要進(jìn)一步工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)回風(fēng)順槽低位抽放瓦斯治理方法對回采工作面瓦斯的治理效果，為解決高瓦斯薄煤層綜采工作面瓦斯涌出超限問題提供參考。

1 試驗(yàn)開采煤層及工作面概況

試驗(yàn)煤礦為近距離、近水平煤層群開采礦，井田內(nèi)可采煤層和局部開采煤層為山西組2＃、3＃、6＃和太原組12＃、15＃煤層。其中山西組2＃、3＃、6＃煤層已采空，太原組12＃煤層為薄煤層，15＃煤層為中厚煤層，是下組煤的主采煤層，具有煤與瓦斯突出危險，作為下保護(hù)層先行開采的12＃號煤層，試驗(yàn)工作面1205，工作面設(shè)計長度150m，煤層平均厚度1.28m，工作面為走向長壁布置，采用綜合機(jī)械化采煤工藝，工作面采用后退式開采，全部垮落法管理頂板。煤層傾角3°～7°，開采深度為423～447m，液壓支架有效通風(fēng)斷面6.2m2?！叭龣C(jī)”配套能力為50～60萬t／a。工作面采用U＋L型通風(fēng)方式，先前開采時統(tǒng)計工作面瓦斯涌出量46～53m3／min。實(shí)測12＃煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0259～0.0554α／d－1，煤層透氣性系數(shù)為1.71～6.90λ／m2／MPa2·d，屬于可以抽放～較難抽放煤層。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方案

12號煤層1205試驗(yàn)工作面共布置三條巷道：一條回風(fēng)順槽為運(yùn)料巷兼作回風(fēng)巷，斷面為10.5m2；一條正巷為運(yùn)輸順槽兼作進(jìn)風(fēng)巷，斷面為11.5m2；一條外錯瓦斯尾巷為專用排瓦斯巷，斷面為9.9m2。）抽放管路設(shè)置：瓦斯尾巷敷設(shè)兩趟Φ380mm瓦斯抽放管，一趟高濃度瓦斯抽放管，一趟低濃度瓦斯抽放管，均在瓦斯尾巷口與采區(qū)回風(fēng)巷的主抽放系統(tǒng)連接。

試驗(yàn)分為二個階段，第一階段：抽放鉆孔布置方式瓦斯抽放孔布置方式為：在瓦斯尾巷內(nèi)距切眼10m、20m處各打一低位孔，孔長40m左右，終孔位置為白砂巖，以解決初采期瓦斯；在低位孔之后每40～50m布置一個鉆孔（高位鉆孔）［7］，傾角為37°～38°，終孔位置為9＃煤層，以解決鄰近層瓦斯；通過貫眼抽采空區(qū)瓦斯。第二階段：工作面推進(jìn)120m后，在保持第一階段瓦斯抽放方式不變的基礎(chǔ)上，實(shí)施回風(fēng)順槽低位鉆場抽放，通過回風(fēng)順槽鉆場鉆孔抽放11＃煤及其附近瓦斯，抽放鉆孔設(shè)置：回風(fēng)順槽在切眼以外每20m布置一個鉆場，每個鉆場設(shè)計4個鉆孔，終孔要打到工作面上方11＃煤層以上，向工作面延伸15～60m，抽放工作面支架上部頂板裂隙瓦斯，稱之為回風(fēng)順槽低位鉆場。鉆孔呈扇形迎向風(fēng)流方向布置，終孔位置沿工作面方向分布在60m范圍。1205工作面巷道及鉆場布置（圖1，圖2）。

2.2 試驗(yàn)方案實(shí)施

第一階段：實(shí)施瓦斯尾巷高位鉆孔抽放

1205試驗(yàn)工作面2012年2月開始組織回采，布置瓦斯抽放鉆孔，實(shí)施瓦斯抽放。從初采階段開始，隨著瓦斯涌出量逐漸增大，到2月底3月初工作面瓦斯涌出量從10m3／min逐步增到49m3／min左右。在工作面生產(chǎn)過程中，工作面后部60m風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍?.72%左右；上隅角瓦斯?jié)舛仍?.0%左右；回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.8%～1%；瓦斯尾巷貫眼瓦斯?jié)舛染?%以上，個別貫眼瓦斯?jié)舛冗_(dá)到6%。工作面、上隅角、回風(fēng)流、瓦斯尾巷瓦斯超限頻繁，造成工作面無法進(jìn)行正常生產(chǎn)，將工作面配風(fēng)量由設(shè)計1230m3／min調(diào)至上限值1630m3／min左右，調(diào)整瓦斯尾巷的分配，工作面已經(jīng)達(dá)到最大風(fēng)速，不能再進(jìn)行增加，試驗(yàn)加大瓦斯尾巷高位鉆孔的抽放力度，但收效甚微，據(jù)統(tǒng)計，在該開采條件下，瓦斯涌出量大約在69m3／min左右，其中抽放量為42m3／min，風(fēng)排量達(dá)到27m3／min，抽采率為60%左右。瓦斯超限沒有得到有效遏制，工作面推進(jìn)度只有1.8～2.4m／d。4月、5月、6月份1205工作面瓦斯抽采情況觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

圖1 回風(fēng)順槽低位鉆孔立體示意圖

圖2 回風(fēng)順槽低位鉆孔布置圖

表1 1205試驗(yàn)工作面第一階段瓦斯抽采情況統(tǒng)計表

第二階段：實(shí)施回風(fēng)順槽低位鉆孔抽放

在工作面推過240m后 ，按照試驗(yàn)計劃，在保持第一階段抽放方式不變的基礎(chǔ)上，實(shí)施了回風(fēng)順槽低位鉆孔，觀測數(shù)據(jù)表明工作面回風(fēng)順槽道內(nèi)瓦斯含量明顯減少，瓦斯?jié)舛让黠@下降：其回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛冉抵?.5%左右，瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛冉抵?.8%左右，工作面瓦斯?jié)舛冉抵?.5%左右，上隅角瓦斯?jié)舛冉抵?.7%左右。將工作面推進(jìn)度由1.8～2.4m／d增加到4.2～4.8m／d，工作系統(tǒng)內(nèi)瓦斯涌出量基本沒有增加。工作面瓦斯涌出及抽采量見表2。瓦斯抽采率顯著提高，呈現(xiàn)出高濃度抽放率升高，低濃度瓦斯抽放率和風(fēng)排率降低。

表2 1205試驗(yàn)工作面第二階段瓦斯抽采情況統(tǒng)計表

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2計算出1205試驗(yàn)工作面，兩個階段的風(fēng)排率、高濃度抽采率、低濃度抽采率，結(jié)果見表3。

表3 1205試驗(yàn)工作面第一階段與第二階段主要抽采指標(biāo)對照表

表3 反映出高濃度抽采率增高25.4%，低濃度瓦斯抽采率降低5.09%，總抽采率增加20.81%，風(fēng)排率降低，風(fēng)排量占風(fēng)排能力的百分比提高，通風(fēng)條件改善，系統(tǒng)可靠性顯著提高。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，結(jié)合采煤工作面上覆巖層移動三帶理論（即工作面開采后巖層的跨落和移動狀況，將其分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶）。可以得出：冒落帶內(nèi)的卸壓瓦斯會直接進(jìn)入開采空間，部分隨風(fēng)流排出，來不及排放的部分暫時滯留在工作面或采空區(qū)內(nèi)的空隙內(nèi)；裂隙帶內(nèi)的卸壓瓦斯則通過采動縱向裂隙逐步向開采空間滲透，將裂隙帶最下部或裂隙帶與冒落帶過渡區(qū)域稱為低位瓦斯富集區(qū)，該區(qū)瓦斯受采場負(fù)壓的作用大，容易涌向開采空間。低位富集帶卸壓瓦斯釋放到開采空間并被新鮮風(fēng)流逐步稀釋帶走，當(dāng)瓦斯釋放速度超過風(fēng)流排放能力，就會造成瓦斯超限，采用低位鉆孔抽放，可以解決此問題?？v向裂隙發(fā)育程度與距開采煤層的距離成反比，距開采煤層距離越遠(yuǎn)，則縱向裂隙的發(fā)育程度就越差，瓦斯向開采空間流動的阻力就越大，彎曲下沉帶不會產(chǎn)生采動縱向裂隙，該區(qū)域卸壓瓦斯，一般會匯集于離層空間內(nèi)，稱此區(qū)域?yàn)楦呶煌咚垢患瘏^(qū)。利用高位鉆孔抽放此區(qū)域內(nèi)的瓦斯，可以提高瓦斯抽放率［8－10］。

3 結(jié)論

1）薄煤層綜采工作面采用在低位瓦斯抽放鉆孔，對解決工作面上隅角瓦斯超限的問題有很好的效果，可以保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，試驗(yàn)僅對抽放后瓦斯的涌出量及抽放量作了統(tǒng)計分析，從宏觀的角度分析了低位瓦斯抽放鉆孔抽放效果，判定了低位鉆孔抽放的可行性，沒有統(tǒng)計鉆孔的瓦斯抽出量，確定出最佳的鉆孔參數(shù)，建議在此試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行進(jìn)一步的現(xiàn)場試驗(yàn)，確定合理的鉆孔參數(shù)，細(xì)化試驗(yàn)成果。

2）通過考察分析，回風(fēng)順槽低位鉆孔，鉆孔呈扇形迎向風(fēng)流方向布置，風(fēng)流方向與抽放方向相一致，有利于瓦斯抽放，能夠有效的解決試驗(yàn)煤層的工作面瓦斯超限問題，可用于治理試驗(yàn)礦井試驗(yàn)煤層工作面瓦斯涌出，且在試驗(yàn)期間取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為薄煤層綜采工作面的瓦斯治理提供了試驗(yàn)參考，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

3）試驗(yàn)在同一個工作面分兩個階段進(jìn)行，第二階段，同時存在兩種抽放方式，觀測數(shù)據(jù)有干擾，應(yīng)在進(jìn)一步的試驗(yàn)中，單獨(dú)使用一種方式，進(jìn)行抽放效果觀測分析。以得出更為可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

［1］盧平，袁亮.低透氣性煤層群高瓦斯采煤工作面強(qiáng)化抽采卸壓瓦斯機(jī)理及試驗(yàn)［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（4）：580－585.

［2］袁亮，劉澤功.淮南礦區(qū)開采煤層頂板抽放瓦斯技術(shù)的研究［J］.煤炭學(xué)報，2003，28（2）：149－152.

［3］王福厚.高位鉆孔抽放瓦斯冒落帶及裂隙帶高度確定方法［J］.煤炭技術(shù)，2008，27（8）：75－76.

［4］王潔，祁文斌.采煤工作面順層鉆孔消突效果評價［J］.煤礦安全，2013，44（1）：157－160.

［5］游繼軍，蔣承林.興隆煤礦15211工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究［J］.中國礦業(yè)，2013，22（2）：104－106.

［6］趙術(shù)江，何明.巖石截流鉆孔抽放瓦斯技術(shù)的應(yīng)用［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（2）：66－68.

［7］詹學(xué)知，徐傳田.高低雙層高位鉆孔在治理高瓦斯采煤工作面中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2003，34（5）：16－17.

［8］董鋼鋒，胡千庭.工作面采動瓦斯流場分布規(guī)律研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2012，29（4）：581－585.

［9］盧曉勇.煤層群首采工作面瓦斯治理技術(shù)［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，32（3）：84－87.

［10］羅紅波，姜騎.內(nèi)錯尾巷及頂板走向長鉆孔瓦斯治理試驗(yàn)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，31（5）：630－633.