煤層群開(kāi)采工作面瓦斯分源治理技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

郭 坦

(西山煤電集團(tuán)公司 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

1 工作面基本情況

某礦S5719 工作面位于該礦南五采區(qū)西北部，工作面可采走向長(zhǎng)733 m，工作面寬189 m，面積138 537 m2. 工作面四周煤層未被采動(dòng)，西北部與南二采區(qū)相鄰且以F49 斷層為邊界，東北部與南五采區(qū)鄰近;東南部煤層未被開(kāi)采，西南部與采區(qū)煤柱相鄰。該工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，共發(fā)育斷層11 條，其中落差＞3.0 m 的6 條，煤層工業(yè)牌號(hào)為不粘煤，自燃發(fā)火期為1 ～3 個(gè)月。煤層賦存不穩(wěn)定，工作面南側(cè)由于沉積環(huán)境不穩(wěn)定，從掘進(jìn)實(shí)踐情況看，該工作面火成巖侵入較為復(fù)雜，煤層受巖漿巖侵入影響較大，煤層變質(zhì)嚴(yán)重，而南五采區(qū)淺部南翼712 綜采面最大瓦斯涌出高達(dá)120 m3/min. 該工作面煤層賦存較為復(fù)雜，加之有火成巖侵入，因此，在回采過(guò)程中要嚴(yán)格按層位施工，預(yù)計(jì)S5719 工作面回采期間最大瓦斯涌出量70.35 m3/min.

2 瓦斯涌出來(lái)源分析

采動(dòng)裂隙場(chǎng)中瓦斯的來(lái)源與含瓦斯煤巖賦存狀況及開(kāi)采技術(shù)條件有關(guān)，主要來(lái)自開(kāi)采層和鄰近層(含圍巖)，具體由以下4 個(gè)方面組成，見(jiàn)圖1.

1)開(kāi)采層煤壁瓦斯涌出。2)采放落煤的瓦斯涌出。3)采空區(qū)遺留煤炭中瓦斯的涌出。4)相鄰煤巖層中瓦斯的涌出。

圖1 工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成圖

3 分源瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)瓦斯來(lái)源的不同，可采用不同的方法治理瓦斯，如高抽巷瓦斯抽采技術(shù)、回風(fēng)巷鉆采斜交鉆孔瓦斯抽采技術(shù)、順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)、埋管瓦斯抽采技術(shù)、地面立孔瓦斯抽采技術(shù)、上隅角明管瓦斯抽采技術(shù)等，抽采過(guò)程中多種技術(shù)措施共存互補(bǔ)，合理調(diào)節(jié)，發(fā)揮各自作用。

3.1 工作面順層鉆孔脈動(dòng)壓裂增透

該煤層瓦斯治理主要是在兩巷回采期間進(jìn)行該層鉆孔的預(yù)抽工作，主要可以降低煤層中的瓦斯含量，同時(shí)也可以降低煤壁涌出的瓦斯量。若出現(xiàn)煤層瓦斯含量大，煤層透氣性較低的情況，瓦斯預(yù)抽效果不理想，可應(yīng)用脈動(dòng)壓裂增加煤的透氣性，提高瓦斯抽采效率，最大限度地減少開(kāi)采期間卸壓瓦斯向采場(chǎng)的涌出。

脈動(dòng)水力壓裂鉆孔布置在S5719 運(yùn)輸巷，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)施工，掌握了不同條件下的長(zhǎng)距離鉆孔封孔方式，形成了一套相對(duì)比較成熟的長(zhǎng)距離鉆孔封孔工藝。工藝大致分為排渣、排管、封口、注漿4 個(gè)步驟。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，完成8 個(gè)鉆孔的完整封孔。8 個(gè)鉆孔中，5 個(gè)鉆孔作為脈動(dòng)壓裂孔，3 個(gè)鉆孔作為抽放孔。通過(guò)抽采效果比較分析可以得出，使用脈動(dòng)壓裂技術(shù)的鉆孔，瓦斯抽采純流量比沒(méi)使用脈動(dòng)壓裂技術(shù)的鉆孔高出1 ～2 倍。

3.2 高位鉆孔鄰近層卸壓瓦斯抽采

若工作面采用高位鉆孔法進(jìn)行瓦斯抽采，具體方法為:在回風(fēng)巷內(nèi)通過(guò)施工大傾角鉆孔向頂板煤巖層進(jìn)行打鉆，高位鉆孔布置在裂隙帶與離層裂隙的交叉區(qū)，這些交叉區(qū)是現(xiàn)場(chǎng)工作中所謂的橫三區(qū)、豎三區(qū)的重合區(qū)(即瓦斯富集區(qū)域)，將終孔位置布置在這個(gè)交叉區(qū)附近進(jìn)行瓦斯抽放，取得了良好的效果。

抽采瓦斯不但對(duì)鄰近層瓦斯流通起到有效的攔截作用，對(duì)本煤層上隅角瓦斯治理也有控制的效果。在回風(fēng)巷靠近回采工作面一側(cè)，每隔60 m 布置一個(gè)鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)沿頂板向采空區(qū)方向打高位鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)布置6 個(gè)鉆孔，孔徑113 mm，每個(gè)鉆孔間距0.8 m. 鉆孔終孔布置在3#煤層充分卸壓范圍內(nèi)穿透煤層0.5 m 處，終孔間距32 m. 高位鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖2，具體參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 高位鉆孔布置示意圖

值得強(qiáng)調(diào)的是，工作面上覆煤巖層中瓦斯源(瓦斯富集區(qū)域)并不是固定不變的，隨著工作面的不斷推進(jìn)，其上覆“三帶”結(jié)構(gòu)也在不斷變化，此時(shí)通過(guò)高位鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛缺憩F(xiàn)為穩(wěn)定上升并逐漸衰減的過(guò)程。

表1 高位鉆孔參數(shù)表

3.3 插管法抽采采空區(qū)瓦斯

一般情況下，工作面(采區(qū)、礦井)采完后并封閉完成的區(qū)域被稱為采空區(qū)，該區(qū)域雖然隔絕于整個(gè)礦井通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采空區(qū)中大量積存的高濃度瓦斯可能會(huì)通過(guò)巷道密閉或隔離煤柱的裂隙往外泄出，這就增加了礦井的通風(fēng)負(fù)擔(dān)與不安全因素。利用插管法抽采瓦斯即在回風(fēng)巷道內(nèi)每隔一定距離在工作面上隅角位置將管路及時(shí)插入采空區(qū)，利用抽采的負(fù)壓將上隅角未被風(fēng)流吹走積聚的瓦斯進(jìn)行提前抽出。為了防止抽采管路的縫隙被煤泥堵住，插管過(guò)程中必須保證將管插入采空區(qū)，且距離巷道底板一定的高度。插管法瓦斯抽放的效果與其布置管路的方式有直接關(guān)系，且抽采濃度多變，必須嚴(yán)格管理。

3.4 上隅角抽采、掛設(shè)風(fēng)障

工作面現(xiàn)在的通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)，由于采空區(qū)與工作面的風(fēng)流匯集在上隅角這個(gè)位置，考慮到工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道存在壓差，使得上隅角成為瓦斯涌入的必經(jīng)之路，最終成為瓦斯積聚區(qū)域。除此之外，結(jié)合瓦斯密度較空氣密度小的特點(diǎn)，采空區(qū)內(nèi)積存的瓦斯在“瓦斯風(fēng)壓”的作用下逐漸自然上升，大量的瓦斯向上隅角飄去而不能有效處理，最終使得工作面上隅角成為瓦斯積聚區(qū)域。

工作面正常生產(chǎn)過(guò)程中多采用風(fēng)障進(jìn)行維護(hù)(風(fēng)障一般是由帆布構(gòu)成)，一般懸掛于工作面末端，通過(guò)引導(dǎo)風(fēng)流來(lái)稀釋上隅角的瓦斯，該方法施工方便，現(xiàn)階段在普采、炮采中應(yīng)用較廣，風(fēng)障法處理上隅角瓦斯原理示意圖見(jiàn)圖3.

存在的不足:風(fēng)障的安裝位置可能會(huì)影響輸送機(jī)與切割電機(jī)滾筒的正常工作，降低采煤效率。除此之外，懸掛風(fēng)障后，巷道空間變小，遮擋人員視線，影響工作人員的正常檢修。

圖3 風(fēng)障法處理上隅角瓦斯原理示意圖

對(duì)上隅角瓦斯的治理還可以通過(guò)在上隅角鋪設(shè)風(fēng)筒的方法來(lái)完成。具體操作方法為:將風(fēng)筒引到巷口，利用風(fēng)機(jī)等動(dòng)力設(shè)備使得風(fēng)筒兩端產(chǎn)生壓差，從而不間斷地對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽放，抽放瓦斯的效果較好，但也存在一定的缺點(diǎn)，如:風(fēng)筒安設(shè)路線過(guò)長(zhǎng)，風(fēng)筒易于破損，從而造成漏風(fēng)的現(xiàn)象。

3.5 內(nèi)錯(cuò)高位瓦斯抽采巷抽采

在開(kāi)采煤層頂板裂隙帶內(nèi)，水平方向與回風(fēng)巷內(nèi)錯(cuò)20 ～30 m 的距離布置高位瓦斯抽采巷，見(jiàn)圖4.

圖4 頂板走向高抽巷抽采瓦斯原理示意圖

高位瓦斯抽采巷開(kāi)口于回風(fēng)巷側(cè)，長(zhǎng)360 m，高于工作面煤層底板32 ～15 m，完工后用砂帶、木段等材料將其封閉，砂帶、木段壁上預(yù)留兩趟直徑300 mm的過(guò)堂管，過(guò)堂管分別與回風(fēng)巷600 mm、300 mm 抽放管路對(duì)接，形成瓦斯高低濃度分離抽采方式。

3.6 地面壓裂井排采

地面壓裂井排采即通過(guò)地面向煤層施工垂直鉆孔，抽采各煤層賦存瓦斯，在該礦的瓦斯抽采實(shí)踐中得到了良好的效果，現(xiàn)僅在南翼采區(qū)就施工了壓裂井20 口，南五采區(qū)生產(chǎn)井有2 口，包括DT19、DT20，截止到2011 年12 月，兩口井共產(chǎn)氣165 540 m3，南五采區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣量表見(jiàn)表2.

表2 南五采區(qū)煤層氣井產(chǎn)氣量表

4 瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)

實(shí)施瓦斯分源治理技術(shù)后，S5719 工作面開(kāi)采過(guò)程中未發(fā)生過(guò)一起瓦斯超限事故，保證了該工作面的安全回采，同時(shí)根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2006 -11 -02 頒布的中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(AQ1026 -2006)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的規(guī)定，回采工作面瓦斯抽采率應(yīng)滿足抽采指標(biāo)見(jiàn)表3.

表3 回采工作面瓦斯抽采率應(yīng)滿足抽采指標(biāo)表

根據(jù)S5719 工作面抽采統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，工作面瓦斯涌出量為60. 35 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量為20.13 m3/min 左右，抽采系統(tǒng)抽采量為40.22 m3/min左右。工作面瓦斯抽采率指回采面瓦斯抽采量占回采面瓦斯總涌出量的百分比，計(jì)算公式:

式中:

qmc—工作面瓦斯抽采量，m3/min;

qmf—工作面風(fēng)排瓦斯量，m3/min.

經(jīng)計(jì)算，S5719 工作面瓦斯抽采率為66.6%，說(shuō)明該工作面瓦斯抽采率達(dá)標(biāo)，瓦斯治理效果良好。

5 結(jié) 論

1)采用工作面順層鉆孔脈動(dòng)壓裂增透、打高位鉆孔對(duì)鄰近層瓦斯進(jìn)行提前卸壓、打頂板鉆孔、采空區(qū)埋管法抽放瓦斯、上隅角抽采、掛設(shè)風(fēng)障、內(nèi)錯(cuò)高位瓦斯抽采巷抽采、地面壓裂井排采等分源瓦斯治理方法，在解決工作面瓦斯超限的問(wèn)題上取得了較為突出的效果，特別是對(duì)多煤層開(kāi)采礦井。

2)對(duì)于透氣性較差的煤層，可以采用脈動(dòng)壓力等增透措施，增加鉆孔瓦斯抽采濃度及流量。

3)上隅角瓦斯超限是U 型通風(fēng)系統(tǒng)需要治理的一個(gè)問(wèn)題，采用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)和風(fēng)筒抽排上隅角瓦斯可以有效解決這一問(wèn)題，在實(shí)踐中要加強(qiáng)風(fēng)障和風(fēng)筒的管理，及時(shí)調(diào)整其合理位置。

［1］ 馬維緒.礦井通風(fēng)與安全技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007:36 -38.

［2］ 譚云亮.礦山壓力與巖層控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008:87 -89.

［3］ 徐永圻.采礦學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006:137 -140.