云蓋山煤礦一礦綜放工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

榮向東 劉三鈞

（禹州棗園煤業(yè)有限公司，河南省禹州市，452570）

1 礦井及工作面概況

云蓋山煤礦一礦于1994年開工建設(shè)，1997年試生產(chǎn)，主采二1煤層，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力63萬(wàn)t／a。礦井采用中央分列抽出式通風(fēng)，主、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)。地質(zhì)構(gòu)造變化明顯，斷層較多，煤層厚度多變，是典型的雞窩煤。礦井為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯賦存極不穩(wěn)定，局部多次出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象。

21110綜采工作面位于礦井-23m 水平西翼，工作面走向長(zhǎng)1440 m，平均煤厚4.3 m，屬二軟一硬煤層。該工作面采取走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，U 型通風(fēng)方式。

21110工作面存在3個(gè)較大的地質(zhì)構(gòu)造帶，地質(zhì)情況復(fù)雜，煤厚變化大。工作面瓦斯含量10m3／t左右，煤層硬度系數(shù)0.3左右，煤層軟成粉末狀，鉆孔成孔率低，透氣性差，瓦斯抽放衰減系數(shù)大，瓦斯抽放困難。在回風(fēng)巷掘進(jìn)期間因?yàn)橥咚褂砍隽看螅咚购拷?jīng)常超限，出現(xiàn)瓦斯治不住的難題。為此云蓋山煤礦一礦研究了以本煤層順層鉆孔瓦斯抽放為主、上隅角瓦斯抽放為輔的瓦斯綜合治理技術(shù)。

2 瓦斯抽放技術(shù)研究

2.1 順層鉆孔抽放技術(shù)

在21110工作面上下巷道沿煤層傾向相向施工平行鉆孔，鉆孔直徑84mm，鉆孔間距3m 左右，距底板1.2m，長(zhǎng)度100m，上下鉆孔壓茬20m，平行鉆孔設(shè)計(jì)如圖1所示。在地質(zhì)變化帶根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整鉆孔參數(shù)，局部地帶施工加密鉆孔。鉆孔施工完成后，采用水泥砂漿立即封孔，封孔長(zhǎng)度15m，封孔結(jié)束8h后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)抽放。部分地區(qū)因?yàn)檫\(yùn)輸關(guān)系，不能整個(gè)巷道施工順層平行鉆孔，為了消除抽放空白帶，利用鉆場(chǎng)施工扇形鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放。鉆場(chǎng)間距40 m，每個(gè)鉆場(chǎng)施工12 個(gè)鉆孔，扇形鉆孔設(shè)計(jì)如圖2所示。鉆孔傾角可以根據(jù)鉆孔實(shí)際見煤情況進(jìn)行調(diào)整，鉆孔盡量布置在煤層內(nèi)。兩個(gè)鉆場(chǎng)最外緣的鉆孔交叉點(diǎn)距離巷幫不超過(guò)20m （考慮煤層巷道瓦斯自然排放寬度為20m），避免存在抽放空白帶。平行鉆孔加扇形鉆孔是工作面區(qū)域瓦斯治理最基本的措施，覆蓋整個(gè)工作面。

圖1 平行鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

圖2 扇形鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

2.2 卸壓區(qū)淺孔抽放技術(shù)

在工作面前方依次存在卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、原始應(yīng)力區(qū)，鉆孔布置在卸壓區(qū)比較容易進(jìn)行瓦斯抽放。根據(jù)卸壓區(qū)安全寬度理論，針對(duì)煤層透氣性系數(shù)低、煤層預(yù)抽效果差、瓦斯制約生產(chǎn)能力的現(xiàn)狀，在21110工作面進(jìn)行了淺孔抽放瓦斯試驗(yàn)。鉆孔沿工作面走向布置在軟分層中，孔深16m，孔徑89mm，孔間距3m。每輪瓦斯淺孔抽放措施進(jìn)行后，預(yù)留10m超前距，即工作面允許推進(jìn)6m。敷設(shè)工作面抽放系統(tǒng)與本煤層抽放系統(tǒng)并聯(lián)，為鉆孔涌出瓦斯提供一條專用通道，卸壓區(qū)淺孔抽放如圖3所示。

2.3 煤層注水瓦斯抽放

采取本煤層瓦斯抽放后，局部地帶的瓦斯還是偏高，影響工作面的安全生產(chǎn)，因此采取了煤層注水措施。云蓋山煤礦一礦針對(duì)煤層注水消突機(jī)理，一方面在上下巷瓦斯高的地帶施工順層鉆孔，孔深100m，下20m 套管，注入10MPa高壓水，直到其他地點(diǎn)有水流出或注不進(jìn)去水為止，接著聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)抽放瓦斯；另一方面在工作面施工淺孔，孔深16m，注入壓力3 MPa的水，直到相鄰鉆孔有水流出為止，接著聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)抽放瓦斯。

圖3 卸壓區(qū)淺孔抽放示意圖

2.4 上隅角瓦斯抽放

在工作面采取順層鉆孔抽放瓦斯后，工作面上隅角瓦斯還是時(shí)有超限發(fā)生。在工作面上下隅角設(shè)置了風(fēng)障，但效果不理想，因此采取了頂板高位鉆孔抽放瓦斯及插管抽放瓦斯雙重措施。

2.4.1 頂板高位鉆孔抽放瓦斯

頂板高位鉆孔瓦斯抽放又稱頂板裂隙帶瓦斯抽放，在回風(fēng)巷向煤層頂板施工鉆孔，主要作用是以工作面回采采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道來(lái)抽放工作面上覆巖層及上隅角涌出的瓦斯，并且減小上鄰近層瓦斯涌向工作面的可能性，同時(shí)對(duì)采空區(qū)下部的瓦斯起到拉動(dòng)作用，改變采空區(qū)瓦斯流向分布，從根本上解決由于采空區(qū)瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯超限的問(wèn)題，從而保證采煤工作面安全作業(yè)，提高采面生產(chǎn)能力。

圖4 三區(qū)三帶劃分示意圖

在工作面回采過(guò)程中，其周圍將形成一個(gè)采動(dòng)壓力場(chǎng)。采動(dòng)壓力場(chǎng)及其影響范圍在垂直方向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；在水平方向上形成煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，三區(qū)三帶劃分如圖4所示。

為了提高瓦斯抽放率，在考慮減少頂板巖石高位鉆場(chǎng)的掘進(jìn)工程量的條件下，高位鉆孔應(yīng)盡可能多地設(shè)計(jì)在頂板裂隙帶內(nèi)和瓦斯富集區(qū)內(nèi)，冒落帶、裂隙帶高度預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：M——工作面采厚，m；

Hm——冒落帶高度，m；

H1——裂隙帶高度，m。

煤厚取4.5m，帶入式 （1）和式 （2）得冒落帶高度12～17m，裂隙帶高度36～47m。對(duì)工作面冒落帶高度及裂隙帶高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，根據(jù)抽放過(guò)程中的始抽段、高體積分?jǐn)?shù)段和衰減段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)打鉆的實(shí)際情況，確定鉆孔終孔距離煤層頂板30m 左右。

鉆場(chǎng)間距取工作面頂板周期來(lái)壓步距的整數(shù)倍，即：

式中：n——整數(shù)；

h——巖層%厚度，取平均厚度14m；

Rt——巖層的極限抗拉強(qiáng)度，取148 MPa；

q——巖梁所受的載荷，取107.7 MPa。

結(jié)合式 （3），取n為4的情況，可得鉆場(chǎng)間距為40m。

根據(jù)頂板裂隙帶高度及垮落步距的計(jì)算結(jié)果，在21110工作面東回風(fēng)口向東60m 處為1號(hào)鉆場(chǎng)，向東每40m 施工一個(gè)鉆場(chǎng)。每個(gè)鉆場(chǎng)布置5個(gè)抽放鉆孔，抽放鉆孔要求控制巷道外幫20 m，鉆孔終孔距離煤層頂板30m，鉆孔長(zhǎng)度超過(guò)前面鉆場(chǎng)40m，即40m 的壓茬，做到循環(huán)抽放，高位鉆孔平面設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4.2 插管抽放瓦斯

在工作面支架后部從回風(fēng)巷上幫沿工作面向下設(shè)置一風(fēng)障，將抽放管伸入上隅角切頂線以里2m處，管口對(duì)準(zhǔn)高瓦斯點(diǎn)，抽放管并入抽放管路進(jìn)行瓦斯抽放。為了提高抽放效果，在抽放管吸氣端加一擴(kuò)散器，用快速接頭連接抽放管。為防止在瓦斯抽放過(guò)程中發(fā)生管路堵塞現(xiàn)象，用沙網(wǎng)把擴(kuò)散器包好。盡量把瓦斯抽放管吸入口的擴(kuò)散器靠近上隅角未冒落空間的頂部及上幫煤壁 （瓦斯?jié)舛容^高的地點(diǎn)），并在切頂線處堆積煤袋，以提高瓦斯抽放濃度并減少上隅角瓦斯積聚的空間。

圖5 高位鉆孔平面設(shè)計(jì)示意圖

2.5 瓦斯抽放技術(shù)注意事項(xiàng)

（1）在進(jìn)行瓦斯抽放設(shè)計(jì)或施工時(shí)，要消除瓦斯抽放空白帶，并隨著施工鉆孔探明的煤巖情況，適當(dāng)調(diào)整鉆孔參數(shù)。

（2）進(jìn)行工作面淺孔抽放時(shí)，鉆孔一定要布置在卸壓區(qū)安全寬度范圍內(nèi)。

（3）高位鉆孔盡可能多地設(shè)計(jì)在頂板裂隙帶和瓦斯富集區(qū)內(nèi)，盡量抬高開孔位置。

3 瓦斯治理效果分析

21110工作面經(jīng)過(guò)實(shí)施順層鉆孔抽放、卸壓區(qū)淺孔抽放、煤層注水抽放等本煤層瓦斯抽放措施以及頂板高位鉆孔抽放、插管抽放等上隅角瓦斯抽放措施后，工作面瓦斯壓力在0.2 MPa左右，瓦斯含量在5m3／t以下，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛然颈３衷?.3%以下，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2% ～0.4%，抽放措施實(shí)施后至今 未發(fā)生過(guò)瓦斯超限事故，預(yù)測(cè)值與效檢值未曾超標(biāo)。通過(guò)瓦斯抽放，減輕了風(fēng)排瓦斯的壓力，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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