高瓦斯礦井大傾角綜采面瓦斯災害防治技術

許華威，王金光

(中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

?

高瓦斯礦井大傾角綜采面瓦斯災害防治技術

許華威，王金光

(中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

[摘要]根據唐山趙各莊礦3372東上工作面的開采工藝與地質條件，通過對該工作面瓦斯來源進行探討，并分析瓦斯積聚的原因，據此提出對角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術，其中對角埋管抽放使采空區(qū)下部瓦斯流動呈現Y型通風的流動效果。瓦斯災害防治技術實施后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷诎踩秶畠?，回風流中瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，保證了綜采面的安全高效開采，為高瓦斯礦井大傾角綜采面的瓦斯災害防治提供了借鑒。

[關鍵詞]高瓦斯礦井；大傾角；對角埋管抽放；高位鉆孔抽放

Methane Disaster Prevention of Large-inclined-angle Full-mechanized Mining Face in High-methane Mine

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.020

[引用格式]許華威，王金光.高瓦斯礦井大傾角綜采面瓦斯災害防治技術[J].煤礦開采，2015，20(5)：74-76，26.

煤炭資源在我國能源組成中占有重要地位，其在一次性能源結構中所占比例為70%[1]左右。由于我國大部分煤礦是井工開采，隨著采煤新技術和新型機械化設備在礦井中的廣泛運用，礦井的深度不斷加深。深部煤層中的瓦斯由于較好地保存在煤體中，造成國有煤礦都是瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井所占的比例在50%[2]以上。

為了更好地治理高瓦斯礦井的瓦斯災害，眾多科研工作者對瓦斯治理方面的研究不斷深入，開發(fā)了許多具有借鑒意義的瓦斯治理技術或取得相關參數。馬小濤[3]等以蘆嶺礦Ⅱ1048工作面為研究對象，得出深孔爆破的相關參數，不僅擴大了瓦斯的有效抽放半徑，而且也降低了煤與瓦斯突出危險性。黃鑫業(yè)、蔣承林[4]以平煤十礦戊9-20180工作面為研究對象，得出合理的帶壓封孔工藝技術參數，在延長有效抽采時間的同時，也將本煤層瓦斯抽放濃度提高30%～50%。趙耀江[5]等以沙曲礦14205綜采面為研究對象，利用頂板大直徑千米鉆孔對瓦斯進行抽采，有效地控制了工作面瓦斯?jié)舛取＠畹聟⒑拖臅x[6]以石港礦15111綜放面為研究對象，利用偽傾斜后高抽巷瓦斯抽放技術，瓦斯抽采量達到24.58～75.25m3/min，杜絕了瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅娉蕖?/p>

本文以趙各莊礦3372東上工作面為研究對象，該綜采面位于原始瓦斯含量較高的7號煤層中，考慮3372東上工作面處于傾斜向急傾斜過渡區(qū)域且受F2斷層破碎帶的影響，結合該礦其他采區(qū)高瓦斯工作面的瓦斯治理技術，提出對角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術。

1工程概況

趙各莊礦位于開灤礦區(qū)東北部，地處唐山市古冶區(qū)，井田走向長9.05km，開采面積31.55km2。該礦井東翼含煤16層，從上往下二迭系有4，5，6，7，8，9號共6層煤；石炭系有11，12上，12中，12下，13，14上，14下，15，16號共9層煤；奧陶系僅有17號煤層。其中可采煤層7層，分別是5，7，9，11，12上，12中，12下煤層，礦井東翼部分可采煤層特征見表1，部分煤層綜合柱狀圖見圖1。

表1　礦井東翼可采煤層特征

圖1　部分煤層綜合柱狀

3372東上工作面位于7號煤層13水平東翼的3石門與4石門之間，工作面開采水平標高為-988.3～-1048.2m，地面水平標高為+37m，煤層走向長度為639m，煤層走向角度在110～130°之間，煤層傾向長度為78m，煤層平均傾角為37°，傾角總體是從下往上、從東往西逐漸變小，煤層平均厚度和采高分別為3.05m，2.40m，局部發(fā)育無連續(xù)性多層夾矸，夾矸是平均厚度0.25m的深灰色粉砂巖或黑色泥巖。采用后退式綜合機械化采煤法，全部垮落法處理頂板，U型通風，煤層堅固性系數和變異系數分別為1.2，21%，屬于二類自燃煤層，煤層爆炸性指數為44.04%，煤層原始瓦斯含量為5.8m3/t。

2瓦斯治理的依據

2.1　綜采面瓦斯來源分析

3372東上工作面的直接頂是平均厚度為1.49m的深灰色粉砂質泥巖，由于透氣性較差，煤層中的原始瓦斯被很好地保存下來。在3372東上工作面使用結構尺寸小、傳遞功率大等優(yōu)點的MG200/500-AWD型采煤機，實際推進過程中采煤機牽引速度一般為7～8m/min，且進刀為0.5m，加上采高為2.40m，在短時間內大量煤炭被開采出來，綜采面日產量最高時為4561t，由于煤體中原始瓦斯含量為5.8m3/t，因此暴露的煤壁和采落的煤炭逸散的瓦斯成為綜采面瓦斯的主要來源。由于采用機械化采煤法對3372東上工作面上覆巖層造成的破壞較大，且在推進過程中有大量遺煤，而上覆巖層中的6號煤層雖厚度較小，但煤層原始瓦斯含量不低，故采空區(qū)的遺煤散發(fā)的瓦斯和上鄰近層涌出的瓦斯也是3372東上工作面瓦斯來源的重要組成部分。由于保護煤柱的隔離，在3372東上工作面西部的3237工作面和在其上部的2372工作面，其采空區(qū)內的瓦斯涌入到3372東上工作面很少，可以忽略不計。

2.2　綜采面瓦斯積聚的原因分析

3372東上工作面瓦斯積聚是開采方法、煤層傾角、通風方式共同作用的結果。由于采用綜合機械化采煤法，在開采出大量煤炭的同時也伴隨著大量瓦斯的涌出，在U型通風的作用下，大部分瓦斯隨風流由進風巷進入回風巷，由于瓦斯密度比空氣小且煤層傾角較大，在瓦斯?jié)舛忍荻鹊淖饔孟?，伴隨著煤層開采，產生的高濃度瓦斯向采空區(qū)低瓦斯方向流動，沿著煤層頂板進入采空區(qū)上部，漏入采空區(qū)的風流把采空區(qū)的高濃度瓦斯帶回工作面和主風流在上隅角處匯合，由于回風流處風流較小且局部處于渦流狀態(tài)，不利于瓦斯的排出，從而造成瓦斯在上隅角處積聚[7-8]。采空區(qū)中后部的遺煤散發(fā)的瓦斯在瓦斯浮力作用下部分隨風流進入回風流，大部分在采空區(qū)上部積聚，而上鄰近層涌出的瓦斯通過裂縫帶也積聚在采空區(qū)上部。3372東上工作面采空區(qū)瓦斯流場見圖2。

圖2　3372東上工作面采空區(qū)瓦斯流場

3綜采面瓦斯防治技術

針對3372東上工作面大傾角綜采面的實際地質條件，通過分析3372東上工作面瓦斯來源和探討瓦斯積聚的原因，提出對角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術。

3.1　對角埋管抽放技術

在3372東上工作面開切眼的回風巷側開挖斜巷，使其與12東2石門相連，并埋入2條長76m直徑為159mm的鐵管(鐵管上均勻布滿小孔)，其他瓦斯抽放管是同樣直徑的PE瓦斯抽放管。當安放好瓦斯抽放管后將斜巷封閉，在回風巷保護煤柱側采空區(qū)內埋入長5m直徑為159mm的鐵管，鐵管通過軟管和瓦斯抽放管連接起來，瓦斯抽放管上每隔一定距離安裝一組除塵箱和放水器，每隔一定時間清理除塵箱內的煤塵，用7.5kW的絞車通過鋼絲來移動回風巷里的鐵管，確保鐵管達到理想的抽放效果。瓦斯抽放管與放在12東2石門和3石門之間的瓦斯移動抽放泵站系統(tǒng)中的雙電源水環(huán)式2BEA-253真空泵相連，瓦斯移動抽放泵站系統(tǒng)位于連接12水平東翼回風大巷和巖石運輸大巷的聯絡巷內。3372東上工作面對角埋管瓦斯泵站、管路布置見圖3。

圖3　3372東上工作面對角埋管瓦斯泵站、管路布置

采用對角埋管抽放技術治理上隅角瓦斯，改變了采空區(qū)正常風流方向與流量。為了預防采空區(qū)煤自燃，根據礦井實際情況，設計采用預防性黃泥灌漿，隨著采煤工作面向前推進，隨采隨灌漿。灌漿用水采用經處理后的井下排水或生活污水等。

3.2　高位鉆孔抽放技術

3.2.1高位鉆孔瓦斯抽放機理分析

隨著工作面的推進，采空區(qū)上方上覆巖層的原巖應力平衡遭到破壞，重新達到穩(wěn)定的過程中在垂直方向和水平方向上分別形成“豎三帶”、“橫三區(qū)”，穿層裂隙與離層裂隙這兩種主要裂隙也是在此期間形成。因巖層的厚度及巖性的不同而產生的非均勻下降是離層裂隙形成的主要原因，上覆巖層的彎曲、變形、破壞是形成穿層裂隙的主要原因，這兩種裂隙在“豎三帶”的裂隙帶中表現最為明顯。由于保護煤柱和冒落巖石的作用，在裂隙帶下部中的離層區(qū)因受支撐而長期存在，離層區(qū)和工作面在采空區(qū)上方形成“O”形圈。

受采動影響而產生的上鄰近層中的卸壓瓦斯由于瓦斯梯度壓力作用進入裂隙帶中的“O”形圈，采空區(qū)遺煤產生的瓦斯在瓦斯浮力的作用下進入“O”形圈，這樣“O”形圈為瓦斯流動、存儲分別提供了通道和空間。因此高位鉆孔瓦斯抽放就是把抽放鉆孔末端布置在“O”形圈中，利用抽放負壓把瓦斯提前抽出來，防止瓦斯進入工作面[9-10]。

3.2.2高位鉆孔瓦斯抽放技術

在3372東上工作面開切眼以東100m處垂直于回風巷開挖第一個瓦斯抽放鉆場，然后往上山方向每隔50m開挖一個鉆場，在回風巷共計有11個鉆場，每個鉆場深為5m，斷面大小為7m2，用鉆機在鉆場內施工深度為70～75m的4個高位瓦斯抽放鉆孔。為了確保抽放的連續(xù)性每2個鉆孔交叉20m，高位鉆孔用軟管和回風巷內的PE瓦斯抽放管連接。結合3372東上工作面上覆巖層的巖性，根據經驗公式知該面垮落帶最大高度在8.13m左右，裂縫帶最大高度在32.89m左右。由于工作面上方各部分巖性不同，為了取得較好的抽放效果，高位鉆孔在水平方向上距回風巷為15～20m，鉆孔末端在垂直方向上在頂板裂縫帶內10～15m之間，4個高位瓦斯抽放鉆孔的孔徑和封孔段長度分別為89mm，108mm，封孔深度為6～8m。封孔用的材料是水泥砂漿，高位鉆孔抽放管最終連接到12東2石門和3石門之間的瓦斯移動抽放泵站系統(tǒng)上，3372東上工作面鉆場、鉆孔布置圖見圖4。

圖4　3372東上工作面鉆場、鉆孔布置

4瓦斯治理效果分析

在回風巷的埋管和斜巷內封閉的2條瓦斯抽放管，使采空區(qū)下部瓦斯的流動呈現Y型通風的流動效果。在開采初期，由于是2條瓦斯抽放管路抽放上隅角瓦斯，瓦斯抽放純量平均達到3.5m3/min，對上隅角及開切眼區(qū)域的瓦斯治理效果明顯；隨著工作面向前推進至40m左右時，高位瓦斯抽放鉆孔開始發(fā)揮作用，在高位鉆孔抽放穩(wěn)定的過程中，瓦斯抽放管內混合瓦斯?jié)舛仍?8%～23%之間，純瓦斯流量最高時達到5.2m3/min。瓦斯防治技術在3372東上工作面實施后，回風流中瓦斯?jié)舛茸罡邥r僅為0.5%，瓦斯治理效果明顯。

5結論

(1)結合3372東上工作面的實際地質條件，通過分析瓦斯來源和探討瓦斯積聚的原因，得出3372東上工作面上隅角附近是瓦斯治理的重點區(qū)域。

(2)在斜巷和回風巷內埋的2條瓦斯抽放管，在上隅角瓦斯的治理中發(fā)揮重要作用，使上隅角下部的瓦斯流動呈現Y型通風的流動效果。

(3)采用對角埋管抽放、高位鉆孔抽放瓦斯治理技術，在3372東上工作面正常推進的過程中，回風流中瓦斯?jié)舛茸罡邥r僅為0.5%，有效控制了工作面的高濃度瓦斯。

[參考文獻]

[1]秦波濤，魯義，殷少舉，等.近距離煤層綜放面瓦斯與煤自燃復合災害防治技術研究[J].采礦與安全工程學報，2013，30(2)：311-316.

[2]程遠平，俞啟香，周紅星，等.煤礦瓦斯治理“先抽后采”的實際與作用[J] .采礦與安全工程學報，2006，23(4)：389-392.

[3]馬小濤，李智勇，屠洪盛，等.高瓦斯低透氣性煤層深孔爆破增透技術[J].煤礦開采，2010，15(1)：92-93.

[4]黃鑫業(yè)，蔣承林.本煤層瓦斯抽采鉆孔帶壓封孔技術研究[J].煤炭科學技術，2011，39(10)：45-48.

[5]趙耀江，謝生榮，溫白根，等.高瓦斯煤層群頂板大直徑千米鉆孔抽采技術[J].煤炭學報，2009，34(6)：797-801.

[6]李德參，夏會輝.偽傾斜后高抽巷瓦斯抽放技術在石港礦的應用[J].煤礦開采，2012，17(5)：75-77.

[7]王小龍.回采工作面上隅角瓦斯治理技術[J].煤炭科學技術，2011，39(S1)：42-44.

[8]張秀才，楊勝強.巷道及“U”工作面上隅角瓦斯運移、積聚及處理措施分析[J].中國安全科學學報，2002，12(1)：64-68.

[9]李青柏，李文洲.高抽巷布置優(yōu)化設計及分析[J].煤礦開采，2010，15(5)：28-29.

[10]武磊，毛桃良，戴光龍，等.黃巖匯煤礦高抽巷的最佳位置選擇[J].中國礦業(yè)，2012，21(10)：105-108.

[責任編輯：施紅霞]

[作者簡介]許華威(1990-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向為礦山壓力與巖層控制。

[收稿日期]2015-01-04

[中圖分類號]TD712.6

[文獻標識碼]B

[文章編號]1006-6225(2015)05-0074-03