突出煤層大采高工作面瓦斯綜合防治技術(shù)

賈建文

(山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300)

東曲礦地處山西省太原古交市，隸屬于西山煤電集團(tuán)公司，是一座年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500 萬(wàn)t 的現(xiàn)代化大型礦井。因產(chǎn)量的逐年提升，原+973 m 單水平開(kāi)采已不能滿足生產(chǎn)要求，決定與+860 m 水平同時(shí)開(kāi)采。+860 m 水平8#煤平均厚度4.3 m，最高達(dá)到5.3 m，屬于大采高厚煤層開(kāi)采，并且此8#煤層被鑒定為突出煤層，因此，該礦由低瓦斯礦井升級(jí)為突出礦井。28806 工作面是該礦升級(jí)為突出礦井后的首個(gè)大采高工作面，突出煤層大采高工作面的安全高效開(kāi)采成為研究的重點(diǎn)。該礦采用具有東曲礦特色的符合突出煤層大采高工作面開(kāi)采實(shí)際的瓦斯綜合管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效回采。

1 工作面概況

28806 工作面8#煤厚2.80 ～3.50 m ，平均厚度3.20 m，8#上煤平均厚約0.7 m，局部位置有8#煤與8#上煤分叉，有1 ～3 層夾矸，夾矸厚0.0 ～1.0 m，平均0.5 m，工作面將8#煤及8#上煤一次全部回采，總厚度3.3 ～5.3 m，平均4.3 m.煤層傾角2° ～8°，平均傾角5°. 工作面工業(yè)儲(chǔ)量125.03 萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量116.28 萬(wàn)t，回采率93%. 絕對(duì)瓦斯涌出量為40 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)為18.68%. 采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，雙巷布置形式，軌道巷進(jìn)風(fēng)，皮帶巷回風(fēng)。采用傾斜長(zhǎng)壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤方法;回采工藝為:雙滾筒采煤機(jī)割煤(裝煤)→刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤→拉移液壓支架支護(hù)頂板→推移刮板輸送機(jī)→采空區(qū)處理。

2 瓦斯管理技術(shù)

工作面采用風(fēng)排、抽采及“兩個(gè)四位一體”的綜合瓦斯防治手段，上隅角采用強(qiáng)制放頂措施。根據(jù)東曲礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告，預(yù)計(jì)28806 工作面回采時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量為40 m3/min，預(yù)計(jì)抽采率為70%，抽采量為28 m3/min.預(yù)計(jì)本煤層抽采量為3 m3/min、高抽巷抽采量15 m3/min、低抽巷10 m3/min.

2.1 抽采系統(tǒng)

1)本煤層瓦斯抽采。

在28806 軌道巷、皮帶巷布置順層鉆孔，預(yù)抽本煤層瓦斯。距軌道巷42 m、皮帶巷30 m 開(kāi)始施工鉆孔。所有鉆孔均垂直于煤壁施工，鉆孔傾角取+1° ～3°，故鉆孔長(zhǎng)度為120 m，鉆孔開(kāi)孔直徑113 mm、終孔直徑為113 mm，鉆孔間距確定為5 m. 預(yù)計(jì)回采期間，兩巷順層鉆孔抽采量:3 m3/min.

2)高抽巷抽采。

在28806 工作面頂板45 ～55 m、內(nèi)錯(cuò)皮帶巷21 m，布置1 條斷面積為8.89 m2的高抽巷。高抽巷采用密閉插管(D560 管)抽采。預(yù)計(jì)回采期間，瓦斯抽采量:15 m3/min.

3)低抽巷抽采。

在28806 低抽巷內(nèi)布置9#煤順層鉆孔，對(duì)28806工作面下鄰近層進(jìn)行本煤層瓦斯抽采。所有鉆孔均垂直于煤壁施工，鉆孔傾角取+1° ～－2°，鉆孔長(zhǎng)度為210 m，鉆孔開(kāi)孔直徑113 mm、終孔直徑為113 mm，鉆孔間距確定為5 m. 低抽巷采用巷道密閉插管(D560 管)抽采，預(yù)計(jì)回采期間，瓦斯抽采量:10 m3/min.28806 工作面抽采系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 28806 工作面抽采系統(tǒng)示意圖

2.2 防突管理技術(shù)

根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院《東曲礦8#煤煤與瓦斯突出鑒定報(bào)告》(2013 年10 月)，8#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù):原始瓦斯壓力最大為1.12 MPa，瓦斯放散初速度最大為15，堅(jiān)固性系數(shù)最小0.34，煤的破壞類型為Ⅲ類。

2.2.1 區(qū)域綜合防突措施

1)區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

根據(jù)《西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲礦8#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)報(bào)告》結(jié)論:切眼往回采方向253 m 區(qū)域內(nèi)為突出危險(xiǎn)區(qū)，從253 m 至停采線為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)。

2)區(qū)域防突措施。

在28806 軌道巷、皮帶巷布置順層鉆孔，在八采區(qū)邊界回風(fēng)巷施工3 個(gè)鉆場(chǎng)，預(yù)抽回采區(qū)段本煤層瓦斯。距軌道巷42 m、皮帶巷30 m 開(kāi)始施工本煤層鉆孔，所有鉆孔均垂直于煤壁施工，鉆孔傾角取 +1° ～3°，鉆孔長(zhǎng)度為120 m，鉆孔開(kāi)孔直徑113 mm、終孔直徑為113 mm，鉆孔間距確定為5 m.在八采區(qū)邊界回風(fēng)巷施工3 個(gè)鉆場(chǎng)，其中2 個(gè)為澳鉆鉆場(chǎng)，孔深700 m，另一個(gè)為預(yù)抽區(qū)段本煤層瓦斯，孔深100 m.

3)區(qū)域措施效果檢驗(yàn)。

區(qū)域措施效果檢驗(yàn)采用測(cè)定預(yù)抽區(qū)域的殘余瓦斯含量的方法。檢驗(yàn)前首先分析、檢查預(yù)抽區(qū)域內(nèi)鉆孔的分布等是否符合設(shè)計(jì)要求，不符合設(shè)計(jì)要求的不予檢驗(yàn)。

工作面在回采前以及回采過(guò)程中，在進(jìn)、回風(fēng)巷每間隔30 ～50 m，布置1 個(gè)區(qū)域檢驗(yàn)測(cè)試孔，孔徑為76 mm，鉆孔深度為120 m.110 m 取樣測(cè)試瓦斯含量，每個(gè)鉆孔在施工過(guò)程中，利用DGC 型煤層瓦斯含量測(cè)量?jī)x對(duì)鉆孔瓦斯含量進(jìn)行檢驗(yàn)。只要有一次瓦斯含量W≥8 m3/t，測(cè)試點(diǎn)周?chē)霃?00 m 范圍內(nèi)即為突出危險(xiǎn)區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行區(qū)域預(yù)抽;W ＜8 m3/t 以下，方可恢復(fù)生產(chǎn)?；夭蛇^(guò)程中區(qū)域效果檢驗(yàn)見(jiàn)圖2.

圖2 區(qū)域效果檢驗(yàn)圖

4)區(qū)域驗(yàn)證。

區(qū)域效果檢驗(yàn)W ＜8 m3/t 時(shí)，用局部預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。驗(yàn)證方法采用鉆屑解吸指標(biāo)法，在工作面中間范圍內(nèi)(距機(jī)頭、機(jī)尾各15 m)打驗(yàn)證孔進(jìn)行驗(yàn)證，該工作面從253 m 至停采線為無(wú)突出危險(xiǎn)區(qū)，直接進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證工作。具體方案為:沿回采工作面每隔10 ～15 m 布置1 個(gè)驗(yàn)證孔，孔徑42 mm，孔深8 ～10 m(盡量布置在軟分層中)，鉆孔平行于推進(jìn)方向，共布置16 個(gè)鉆孔。當(dāng)瓦斯解析指標(biāo)K1值＜0.5 且鉆屑量S ＜6 kg/m，并已采取安全防護(hù)措施時(shí)，方可允許生產(chǎn)，工作面每推進(jìn)6 ～8 m，利用上述方法進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證。K1值、鉆屑量S 有一項(xiàng)超過(guò)臨界值或鉆孔有突出預(yù)兆，則該區(qū)域在以后回采作業(yè)過(guò)程中執(zhí)行局部綜合防突措施。區(qū)域效果檢驗(yàn)見(jiàn)圖3.

2.2.2 局部綜合防突措施

東曲礦+860 m 水平28806 回采工作面采用鉆屑解析指標(biāo)法進(jìn)行局部突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，規(guī)定K1＜0.5，S ＜6 kg/m 為無(wú)突出危險(xiǎn)性。

圖3 區(qū)域效果檢驗(yàn)圖

1)工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

該工作面切眼往回采方向253 m 區(qū)域內(nèi)為突出危險(xiǎn)區(qū)，執(zhí)行工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)鉆孔布置、數(shù)據(jù)測(cè)定方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)與區(qū)域驗(yàn)證一致。

2)工作面防突措施。

回采工作面煤層中部范圍，盡可能在軟分層上，每間隔5 m 布置1 個(gè)排放鉆孔，孔深15 m，孔徑75 mm，卸壓孔超前預(yù)留3 m.

3)工作面措施效果檢驗(yàn)。

待排放鉆孔全部施工完畢后，用回采工作面預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的方法進(jìn)行局部防突措施效果檢驗(yàn)，效果檢驗(yàn)孔沿工作面每隔15 m 布置1 個(gè)，孔徑為42 mm，孔深15 m.檢驗(yàn)方法及判斷標(biāo)準(zhǔn)同預(yù)測(cè)中的評(píng)判方法和標(biāo)準(zhǔn)相同(K1值及鉆屑量預(yù)測(cè))，效檢孔的深度應(yīng)小于等于措施孔，檢驗(yàn)孔距措施孔保持300 mm.合格后進(jìn)行生產(chǎn)，否則不得生產(chǎn)。

4)安全防護(hù)措施。

工作面的安全防護(hù)措施有工作面避難所、壓風(fēng)自救裝置、供水施救裝置和隔離式自救器。

2.3 上隅角瓦斯治理

因工作面直接頂為泥灰?guī)r，老頂為石灰?guī)r，隨著工作面的推進(jìn)，兩個(gè)端頭不能及時(shí)垮落，懸頂面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定值(10 m2)，導(dǎo)致上隅角瓦斯大量積聚，而瞬間垮落的同時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限等事故，并且工作面處在突出區(qū)域，采用爆破強(qiáng)制放頂方式安全性差。因此，為保證安全，并能達(dá)到強(qiáng)制放頂?shù)男Ч?，減小懸頂面積，采用了高效膨脹劑進(jìn)行預(yù)裂。

2.3.1 產(chǎn)品特性及特點(diǎn)

高效膨脹劑，又名無(wú)聲破碎劑，靜態(tài)爆破劑。破碎物體時(shí)不產(chǎn)生震動(dòng)、噪音、飛石、粉塵及有毒氣體，屬無(wú)公害、環(huán)保型產(chǎn)品，不屬于易燃易爆物品，破碎效果穩(wěn)定。其特點(diǎn)如下:

1)膨脹力大。最大膨脹力可達(dá)120 MPa.

2)反應(yīng)時(shí)間可控，可控制在15 min ～12 h.

3)安全易管理。

2.3.2 上隅角強(qiáng)制放頂眼布置

在距巷道保護(hù)煤柱側(cè)500 mm 的位置順巷道方向及距切頂線2 500 mm 垂直于巷道方向每隔500 mm施工深度4 000 mm 直徑28 mm 的眼，每隔1 個(gè)眼裝入高效膨脹劑3 卷(每卷1 m)并用MCK2360 型藥卷進(jìn)行封口。通過(guò)此方法，空眼有利于形成自由面，同時(shí)所有放頂眼形成了切頂線，在高效膨脹劑的作用下，實(shí)現(xiàn)了上隅角的安全強(qiáng)制放頂。上隅角放頂眼布置圖見(jiàn)圖4.

圖4 上隅角放頂眼布置圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用合理的抽采系統(tǒng)，完善的“四位一體”防突措施及無(wú)聲膨脹劑強(qiáng)制放頂?shù)纫幌盗型咚咕C合防治手段，確保了東曲礦突出煤層突出區(qū)域的回采在安全低瓦斯?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，同時(shí)杜絕了堅(jiān)硬頂板上隅角瓦斯積聚甚至超限等現(xiàn)象的發(fā)生，使工作面生產(chǎn)不受瓦斯的制約，能夠正規(guī)循環(huán)作業(yè)，保證了大采高工作面的產(chǎn)能，為礦井產(chǎn)量的提升奠定了基礎(chǔ)，為礦井的安全生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。