綜采工作面瓦斯治理措施及效果

王鵬圖

(大同煤礦集團設計研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

隨著近年來采煤新技術(shù)的不斷應用，促進了煤礦采掘機械化程度的提高，在逐步加快工作面推進速度的過程中也提高了工作面的生產(chǎn)能力，雖然各項技術(shù)經(jīng)濟指標達到了高產(chǎn)、高效、低耗的水平，但是隨之而來存在著很多問題，其中瓦斯問題最為嚴重，瓦斯問題主要包括瓦斯煤塵爆炸和煤與瓦斯突出等，這兩種現(xiàn)象都給煤礦帶來了不可估量的損失。這些問題不僅對井下人員的生命造成威脅，還會摧毀礦井設施和致使礦井停產(chǎn)。本文以多年的工作經(jīng)驗為基礎，介紹了綜采工作面瓦斯治理措施及效果。

1 綜采工作面概況

326510 工作面5 號煤層是煤與瓦斯突出煤層，其中以地面為標準的高度為1 062 ～1 107.2 m，工作面標高范圍為478 ～554.4 m，煤礦埋藏在深度為502 ～586.4 m 的地下。具有走向長度為1 697.8 m 的工作面，傾斜長度大概為240 m，煤層的厚度平均為2.6 m，傾斜角度范圍在1° ～6°之間，平均大約為3°。具有較為穩(wěn)定的煤層存儲。通過相關的調(diào)查和研究后發(fā)現(xiàn)煤層具有15.31 m3/min 瓦斯含量，在煤層的北側(cè)為采空區(qū)。工作面老頂和直接頂厚度分別為4.9 m 和5.79 m，屬于夾砂質(zhì)泥巖條帶黑灰色砂質(zhì)泥巖，垮落問題容易在頂板出現(xiàn)。綜采工作面采用走向長壁后退式的布置形式，采取綜采機械化方式和垮落法的頂板管理。

2 綜采工作面瓦斯涌出量的預測

在綜采工作面初采期間和老頂尚未垮落之前，瓦斯量為15.31 m3/min，主要包括煤層涌出瓦斯量及工作面采空區(qū)殘存煤涌出的瓦斯量兩種。在煤礦開采的過程中，工作面(以圍巖瓦斯及鄰近層瓦斯涌人為主)瓦斯含量隨著采面回采距離超出切眼30 m 之后不斷的增加。經(jīng)過預測可以得出該綜采工作面瓦斯涌出量將達到49.97 m3/min。其中70%的瓦斯涌出量來源于圍巖及采空區(qū)，煤層自身涌出量大約為30%，由以上的數(shù)據(jù)可以看出，圍巖及采空區(qū)涌出量是該工作面主要的瓦斯涌出量。

3 綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)及應用

研究該綜采工作面概況及瓦斯涌出量并進行預測可以看出，該煤層工作面瓦斯主要來源是瓦斯涌出、鄰近層工作面采空區(qū)瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出。由于考慮到工作面瓦斯預測涌出量達到了40 m3/min 較大，決定采取綜合治理方案來保證綜采工作面瓦斯綜合治理效果，將多種治理技術(shù)及措施結(jié)合起來以實現(xiàn)瓦斯的有效治理。

3.1 采用配置風量的方式稀釋該煤層及采空區(qū)涌出的瓦斯

在瓦斯治理過程中合理的配置風量，綜合考慮工作面進風巷設計斷面、回風巷設計斷面進行風量的配置，同時將煤礦回采過程中因擾動所產(chǎn)生的變形因數(shù)和風量在采空區(qū)中存在的流動規(guī)律考慮在內(nèi)。在綜合考慮以上因素和該綜采工作面回采作業(yè)采取的運輸巷超前回風巷15 m 布置形式的情況下，以工作面通風系統(tǒng)特點為基礎，在回風流及綜采工作面中帶入采空區(qū)內(nèi)存在的瓦斯以避免綜采工作面風量大部分進入到采空區(qū)，最后將工作面風量配置為1 100 m3。

3.2 進行工作煤層瓦斯預抽

在對該綜采工作面進行運輸巷掘的整個過程中，以24 m為間隔標準，并根據(jù)標準進行鉆場的設置，總共設計20 個鉆場。并在鉆場中沿工作煤層傾角設置3° ～8.5°的傾角以及10°的夾角，同時將鉆孔開孔間距保持在0.4 m 以上，將鉆孔深度設計為70 ～120 m 的范圍內(nèi)，將鉆孔在綜采工作面中均勻的布置為扇形，可以采用如圖1 所示的布置形式:采取SKW-85 型號瓦斯抽放泵在該煤層中進行煤層瓦斯預抽，該抽放泵的主管路直徑采用250 mm 的管路，用抽放泵實現(xiàn)煤層瓦斯的預抽。

圖1 工作煤層瓦斯預抽鉆孔布置示意圖

3.3 通過埋管進行采空區(qū)瓦斯抽放作業(yè)

應用型號為2BEC50 水環(huán)式真空泵進行采空區(qū)瓦斯抽放作業(yè)，采用綜采工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯抽放區(qū)域。將規(guī)格為直徑325 mm 的瓦斯抽放管路預先埋設在工作面回風巷內(nèi)，這個工作在該綜合工作面回采作業(yè)之前進行，在綜合分析工作面頂板垮落步距、綜采工作面初次來壓與工作面周期來壓規(guī)律的基礎上采用30 m 的抽放間隔標準，在采空區(qū)上隅角隔離墻之后埋設“T”型網(wǎng)管，在打開瓦斯抽放閘閥的情況下對上隅角積聚瓦斯抽放量進行控制以實現(xiàn)對閘閥的調(diào)節(jié)。將閘閥在隔離墻施工到閘閥位置以后完全打開，為了實現(xiàn)對閘閥的調(diào)節(jié)綜采工作面采空區(qū)及上隅角瓦斯涌量的抽放采用真空泵及瓦斯抽放管。

3.4 鉆孔抽放走向近水平高位瓦斯涌出量

在進行走向近水平高位瓦斯涌出量抽放的時候采取鉆孔抽放的形式或者可以作為工作面頂板裂隙帶瓦斯抽放。在煤礦回采作業(yè)過程中以煤礦礦山壓力規(guī)律為基礎，在綜采工作面周邊會產(chǎn)生一個采動應力的影響范圍，可以在礦山垂直方向產(chǎn)生帽落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶，會產(chǎn)生水平走向上的三個區(qū)，包括煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)及重新壓實區(qū)。由于裂隙空間在綜采工作面采動應力場中存在，瓦斯通過這些裂隙空間涌出及流動。裂隙帶內(nèi)蘊含的瓦斯流動性會在高位鉆孔抽放負壓的影響下增加，增加了走向近水平高位瓦斯涌出量，為了有效的抽出高濃度瓦斯，以近水平高位鉆孔抽放為解決方法。在綜合考慮工作面實際情況的前提下設計可以在巷道內(nèi)部進行鉆孔抽放的高位瓦斯抽放巷，設置 4 ～9 個鉆孔并保持2° ～4°的傾角。設置應大于0.4 m 的鉆孔開孔間距，將20 m 的終孔設置在綜采54 工作面距內(nèi)，并在在距離頂板10 m 頂板內(nèi)部布置孔深為100 m 的終孔，鉆孔布置形式如圖2 所示。

圖2 鉆孔抽放近水平高位瓦斯鉆孔布置示意圖

在抽放高位瓦斯時，需要將高位瓦斯抽放巷開口設置在綜采工作面回風巷內(nèi)，在進行巷道掘進作業(yè)的過程中則沿著垂直回風巷采面內(nèi)側(cè)設計仰角進行，當巷道與綜采工作面頂板的距離為10 m 設置打鉆平臺，在采面與打鉆平臺相反的方向進行規(guī)格為直徑153 mm 的抽放鉆孔的施工，在完成抽放鉆孔施工及封孔作業(yè)以后把鉆孔與抽放管連接起來。將密閉墻設置在高位抽放巷偏口位置，進行采空區(qū)近水平高位瓦斯抽放作業(yè)時采用型號為2BEC50 的抽放泵。

3.5 綜采工作面上方裂隙帶瓦斯鉆孔抽放

將在該綜采工作面回風巷內(nèi)部設置規(guī)格直徑為273 mm 型號的抽放管，為了降低涌入工作面瓦斯量，通過鉆孔抽放采空區(qū)鄰近層及裂隙帶瓦斯的方法。

4 綜采工作面瓦斯治理效果研究

在對該綜采工作面瓦斯采取綜合措施進行綜合治理的過程中取得了如下瓦斯治理效果。

4.1 工作煤層瓦斯抽放效果

綜采工作面于2012 年開始進行掘進，2014 年9 月完成施工，在工作面掘進過程中瓦斯抽放濃度保持在10% ～15%范圍內(nèi)，保持5 ～7.5 m3/min 之間的純瓦斯量抽放。抽放了大約621 萬m3的瓦斯總量。

4.2 采空區(qū)瓦斯抽放效果

采空區(qū)內(nèi)瓦斯在綜采工作面初次來壓之前主要是浮煤殘存瓦斯，對工作面風流到采空區(qū)內(nèi)后的采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛冗M行了稀釋，達到了約為20%瓦斯抽放濃度以及約為11 m3/min瓦斯排放量。

5 結(jié)語

總之，瓦斯含量超標問題嚴重的影響著煤礦作業(yè)過程中煤礦開采的安全性及進度，對于煤礦作業(yè)綜合利益的實現(xiàn)帶來了負面影響，在傳統(tǒng)的治理方式中，多采取通風稀釋方式進行瓦斯的治理，由于該治理方式的局限性，為充分保障煤礦作業(yè)安全性應該采取綜合瓦斯治理措施治理工作面瓦斯涌出量較大的情況。本文采用了對工作煤層、工作面采空區(qū)、高位瓦斯抽放巷及裂隙帶及鄰近采空區(qū)的瓦斯進行綜合治理的方法，并取得了理想的治理成效。

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