近距離煤層群瓦斯異常區(qū)綜采面瓦斯綜合治理技術(shù)＊

王躍明 王金光 張延國(guó) 李世俊 龔 爽 李二鵬

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；3.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司石家莊設(shè)計(jì)院，河北省石家莊市，050021）

隨著綜合機(jī)械化采煤技術(shù)在礦井中的應(yīng)用以及礦井采掘水平的延伸，近距離煤層群礦井綜采面的瓦斯超限現(xiàn)象越來(lái)越頻繁。由于每種通風(fēng)方式都有其使用條件和弊端，實(shí)踐證明僅靠通風(fēng)已不能有效解決綜采面瓦斯問(wèn)題。因上隅角瓦斯含量約占綜采面瓦斯含量的70%，因此抽采上隅角瓦斯治理瓦斯超限問(wèn)題效果明顯，而單一的抽采方式不能保證連續(xù)、全面的抽采，從而無(wú)法確保綜采面的正常有序開(kāi)采。本文以鎮(zhèn)城底礦22611 綜采面為工程背景，從煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、人為因素等方面分析了瓦斯異常區(qū)域形成的原因，并對(duì)上隅角瓦斯積聚的原因進(jìn)行深入研究，采取了綜合瓦斯治理措施，有效解決了綜采面瓦斯超限問(wèn)題，確保了近距離煤層群綜采面的安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦位于山西西山煤田西北邊緣，地處古交市西北，為低瓦斯礦井，煤層賦存有近距離、多煤層、不穩(wěn)定等特點(diǎn)。本井田含煤13層，可采煤層有1＃、2＃-3＃、4＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃共8層，目前礦井主采2＃-3＃煤層和8＃煤層?？刹擅簩犹卣饕?jiàn)表1。22611 綜采面開(kāi)采2＃-3＃煤層，采用綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，U 型通風(fēng)方式。煤層具有煤塵爆炸性，為自燃煤層，煤種為特低硫中灰的優(yōu)質(zhì)肥、焦煤，煤層瓦斯含量為2.3 m3／t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.36，百米流量衰減系數(shù)為0.2154d-1，煤層的透氣性系數(shù)為1.107m2／MPa2·d。22611綜采面所處的南六采區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量約占全礦井的55%，目前按高瓦斯礦井管理。

表1 可采煤層特征

2 綜采面瓦斯超限原因分析

2.1 瓦斯異常區(qū)形成的原因

鎮(zhèn)城底礦瓦斯異常區(qū)域的形成主要是煤層露頭、圍巖性質(zhì)、斷層、陷落柱、采煤方法、通風(fēng)方式等因素造成。

（1）煤層露頭影響。由于鎮(zhèn)城底礦西北為煤層露頭，成煤過(guò)程中形成的瓦斯長(zhǎng)期向大氣中排放，此處煤層中的瓦斯含量較少，因此在開(kāi)采北部的東翼、西翼采區(qū)時(shí)瓦斯含量較低。而該礦的其它地方?jīng)]有煤層露頭，煤層中的瓦斯保存相對(duì)較好，22611綜采面正處于沒(méi)有煤層露頭處，故瓦斯含量相對(duì)較高。

（2）圍巖性質(zhì)影響。22611綜采面煤層頂板是平均厚度為1.02m 的灰黑色砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖，底板為平均厚度1.66m 的砂質(zhì)泥巖，由于泥巖的透氣性差，對(duì)煤層中的瓦斯有封存作用，使煤層中的瓦斯大部分被很好地保存在煤體中。

（3）地質(zhì)構(gòu)造影響。22611綜采面為斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷層較多且大部分為正斷層，斷層上下盤的落差大于3m，受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，封閉性好有利于瓦斯賦存，而陷落柱在22611綜采面也較發(fā)育，大部分陷落柱柱壁相向傾斜，傾角多在80°以上，巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、部分砂巖等，陷落柱內(nèi)必然積聚瓦斯。

（4）生產(chǎn)工藝影響。22611綜采面使用綜合機(jī)械化采煤法，產(chǎn)量提高的同時(shí)瓦斯涌出量也增加。由于是近距離煤層群開(kāi)采，在開(kāi)采時(shí)伴隨大量上下鄰近層瓦斯解析、擴(kuò)散、滲流涌入采空區(qū)，處理不及時(shí)就會(huì)造成瓦斯異常。綜采面采用U 型通風(fēng)方式，U 型通風(fēng)最大弊端就是上隅角容易積聚瓦斯。

2.2 22611綜采面上隅角瓦斯積聚原因分析

（1）在近距離煤層群條件下，22611綜采面被開(kāi)采后，除采空區(qū)遺煤涌出的瓦斯外，上鄰的1＃煤層和下鄰的4＃煤層的大量卸壓瓦斯也涌向綜采面采空區(qū)，造成采空區(qū)大量瓦斯積存，由于瓦斯密度較小，在瓦斯自然浮力作用下，大量采空區(qū)瓦斯向綜采面上隅角運(yùn)移。

（2）22611綜采面采用U 型通風(fēng)，新鮮風(fēng)流進(jìn)入綜采面分兩部分，在進(jìn)、回風(fēng)巷風(fēng)壓差作用下，大部分風(fēng)流把22611綜采面的瓦斯帶進(jìn)回風(fēng)巷，另一部分流入采空區(qū)的風(fēng)流把采空區(qū)高濃度瓦斯帶回22611綜采面，兩股風(fēng)流在上隅角處匯合，上隅角作為U 型通風(fēng)綜采面的漏風(fēng)匯，極易造成瓦斯積聚，見(jiàn)圖1。

（3）22611綜采面上隅角位于回風(fēng)巷和采空區(qū)的結(jié)合處，風(fēng)流在上隅角處直角轉(zhuǎn)彎時(shí)，在上隅角形成渦流區(qū)，由于此處風(fēng)速低，上隅角處于渦流狀態(tài)的瓦斯不易被稀釋并流入回風(fēng)巷中，這樣大量瓦斯在渦流區(qū)運(yùn)動(dòng)引起瓦斯積聚進(jìn)而可能造成上隅角瓦斯超限。

圖1 綜采面風(fēng)流流向及O 形圈平面圖

3 綜采面瓦斯綜合治理技術(shù)

根據(jù)瓦斯異常區(qū)形成的原因及對(duì)22611綜采面上隅角瓦斯積聚的原因進(jìn)行研究，結(jié)合其他鄰近礦井的經(jīng)驗(yàn)，提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽放技術(shù)、上隅角雙埋管相結(jié)合的通風(fēng)為輔、抽采為主的綜合治理措施。

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1.1 U 型通風(fēng)方式的確定

鎮(zhèn)城底礦在開(kāi)采南六采區(qū)22606工作面時(shí)，前期采用U 型通風(fēng)就可以解決工作面瓦斯超限問(wèn)題，隨著開(kāi)采深度的增加和強(qiáng)度的加大，U 型通風(fēng)已不能滿足生產(chǎn)的需要，22606工作面上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超限。在U 型通風(fēng)的基礎(chǔ)上，計(jì)劃對(duì)22606工作面采用U+L型通風(fēng)方式進(jìn)行改造，但采用U+L型通風(fēng)方式后尾巷中的瓦斯又變成安全隱患。隨后在施工時(shí)改用軌道巷、運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，工作面中間開(kāi)挖的中間巷回風(fēng)的兩進(jìn)一回的W 型通風(fēng)方式，采用這種通風(fēng)方式后，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)軌道巷、運(yùn)輸巷流出的風(fēng)流在中間巷匯集共同流入中間巷時(shí)，由于風(fēng)流不一樣，在中間巷附近支架處形成空氣對(duì)流區(qū)，使該處支架后面的瓦斯無(wú)法排出，造成瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，即使在中間巷附近使用風(fēng)障引導(dǎo)兩側(cè)風(fēng)流排放效果仍不理想。22611綜采面由于采用通風(fēng)和瓦斯抽放相結(jié)合的綜合瓦斯治理措施，同時(shí)鑒于U 型通風(fēng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，22611綜采面仍采用U 型通風(fēng)方式。

3.1.2 增加進(jìn)風(fēng)量

增加綜采面進(jìn)風(fēng)量在一定程度上有利于綜采面瓦斯的治理。但如果進(jìn)風(fēng)量過(guò)大，進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)量也相應(yīng)增加，造成漏風(fēng)流把采空區(qū)深部的瓦斯帶回綜采面，由于22611 綜采面采用U 形通風(fēng)，瓦斯流容易從綜采面上隅角流出，引起上隅角瓦斯積聚，同時(shí)風(fēng)量過(guò)大也不利于綜采面粉塵的防治。通過(guò)對(duì)增加進(jìn)風(fēng)量和綜采面瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行研究，提高22611綜采面供風(fēng)量為871m3／min時(shí)，綜采面瓦斯?jié)舛葹樽畹停鄬?duì)此增大或減小風(fēng)量都會(huì)造成綜采面瓦斯?jié)舛壬摺Ｍ瑫r(shí)更換南風(fēng)井的主要通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 南風(fēng)井主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

3.2 頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽放

22611綜采面上、下鄰近煤層中的瓦斯受采動(dòng)影響，以解吸、擴(kuò)散、滲流的形式從采動(dòng)裂隙進(jìn)入采空區(qū)，在瓦斯?jié)舛忍荻葔毫屯咚垢×ψ饔孟逻M(jìn)入O 形圈，使O 形圈成為采空區(qū)瓦斯聚集和運(yùn)移的主要通道。鎮(zhèn)城底礦在回風(fēng)巷煤層頂板布置的鉆場(chǎng)里向采空區(qū)裂隙帶附近施工長(zhǎng)鉆孔，利用抽放管的負(fù)壓，抽采O 形圈內(nèi)的瓦斯，減少采空區(qū)瓦斯進(jìn)入綜采面。

從開(kāi)切眼沿回風(fēng)巷走向100 m 時(shí)開(kāi)掘斜巷進(jìn)入煤層頂板施工第一個(gè)垂直于回風(fēng)巷的鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間隔80m，鉆場(chǎng)尺寸為4.0 m×9.0 m×3.0 m。在鉆場(chǎng)東側(cè)呈扇形向采空區(qū)上部打5 個(gè)深度為130m左右的長(zhǎng)鉆孔，其中低位裂隙帶鉆孔3 個(gè)，高位裂隙帶鉆孔2個(gè)。鉆孔開(kāi)孔位置和煤層頂板的垂直距離為0.5m，終孔位于冒落帶頂部和裂隙帶下部附近區(qū)域，沿傾向方向控制上隅角附近距回風(fēng)巷30m 范圍，為了保證綜采面過(guò)鉆場(chǎng)時(shí)頂板走向鉆孔的抽采效果及銜接，前后鉆場(chǎng)壓岔50 m。用鋼絲骨架膠管把塑料封孔管和抽放管連接起來(lái)，采用2BEC52瓦斯抽放泵抽放采空區(qū)瓦斯，鉆場(chǎng)鉆孔布置見(jiàn)圖2，瓦斯抽放設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 鉆場(chǎng)鉆孔布置圖

表3 瓦斯抽放設(shè)備參數(shù)

在采用頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯時(shí)，鎮(zhèn)城底礦首次使用簡(jiǎn)易手動(dòng)放水器，手動(dòng)放水器示意圖見(jiàn)圖3。調(diào)整頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔的鉆孔連接方式，人為形成由高到低的管道使之容易積水，在管道末端安裝簡(jiǎn)易手動(dòng)放水器，通過(guò)閥門控制負(fù)壓，手動(dòng)放水進(jìn)行卸壓，很好地解決了采用水流排渣時(shí)致使鉆孔內(nèi)積水較多、增加抽采負(fù)壓、影響瓦斯抽采的問(wèn)題，提高了頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽放效果。

圖3 手動(dòng)放水器示意圖

3.3 上隅角雙埋管抽放技術(shù)

在22611綜采面回風(fēng)巷北側(cè)上部架設(shè)一條直徑355mm 聚乙烯瓦斯抽放管，外端與南六采區(qū)的移動(dòng)瓦斯抽采泵站相連，采用2BEC50抽放泵進(jìn)行抽采。在該抽放管上每隔5 m 安裝一個(gè)三通，每隔15m 安裝一個(gè)閥門，當(dāng)該管路進(jìn)入采空區(qū)15 m時(shí)，預(yù)埋第二條管路。第二條管路通過(guò)三通與第一條管路在30m 處連接起來(lái)，此時(shí)第二條管路處于封閉狀態(tài)，當(dāng)綜采面推過(guò)第二條抽放管15 m 時(shí)，打開(kāi)第二條管路的閥門進(jìn)行抽采，在第二條管路的每個(gè)三通上都連接和第一個(gè)抽放管一樣的直徑219mm、長(zhǎng)度為2m 的花管，為避免埋管被矸石砸壞，在進(jìn)入采空區(qū)的埋管上面鋪上石棉瓦確保抽放管正常工作，以此循環(huán)，確保連續(xù)有效抽放，綜采面上隅角埋管布置見(jiàn)圖4。

4 監(jiān)測(cè)監(jiān)控及瓦斯治理效果

綜采面瓦斯的治理是各種措施共同作用的結(jié)果，有效地監(jiān)測(cè)監(jiān)控是防治瓦斯的關(guān)鍵。瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)對(duì)治理瓦斯有非常重要的意義，因此必須保證監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的有效運(yùn)行和強(qiáng)化人機(jī)互檢制度，以便在瓦斯涌出異常時(shí)采取針對(duì)性治理措施。鎮(zhèn)城底礦在南六采區(qū)安裝了一套KJ75N 瓦斯抽采監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，并在22611綜采面的帶式輸送機(jī)巷、綜采面上隅角、軌道回風(fēng)巷等瓦斯易于積聚的地方安裝瓦斯傳感器、氧氣傳感器、風(fēng)速傳感器、溫度傳感器及CO 傳感器等相關(guān)設(shè)備，確保監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量，連續(xù)監(jiān)測(cè)瓦斯數(shù)據(jù)。

圖4 綜采面上隅角雙埋管布置圖

采取以上綜合治理措施后，南六采區(qū)22611綜采面的通風(fēng)量與以前的進(jìn)風(fēng)量相比有大幅升高，且此風(fēng)量為最合理通風(fēng)量，有效稀釋了綜采面的瓦斯?jié)舛?；頂板走向水平長(zhǎng)鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，避免了大量采空區(qū)瓦斯進(jìn)入綜采面；綜采面上隅角雙埋管抽采降低上隅角處的瓦斯?jié)舛取１O(jiān)控設(shè)備上瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)顯示，綜采面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛鹊玫胶芎玫目刂?，確保了綜采面的正常開(kāi)采。

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