高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術(shù)研究

李　云,冷　超，劉　壘

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046103)

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高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術(shù)研究

李云,冷超，劉壘

(山西潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046103)

[摘要]根據(jù)工作面煤體應(yīng)力及瓦斯壓力變化規(guī)律，卸壓帶內(nèi)煤體瓦斯壓力下降、透氣性系數(shù)增大，是進(jìn)行瓦斯抽放的最佳區(qū)域。根據(jù)卸壓帶瓦斯?jié)舛鹊淖兓?，結(jié)合殘余瓦斯壓力的變化趨勢(shì)，確定卸壓帶的寬度。以余吾煤礦N1102工作面為例，采用主動(dòng)測(cè)壓法進(jìn)行殘余瓦斯壓力測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果并結(jié)合鉆孔瓦斯?jié)舛?，確定該工作面的卸壓帶寬度為22m，根據(jù)測(cè)量值進(jìn)行了卸壓帶瓦斯排放鉆孔的設(shè)計(jì)和施工，有效減小了回采工作面的瓦斯涌出量及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，降低了工作面瓦斯突出的危險(xiǎn)性。

[關(guān)鍵詞]卸壓帶；瓦斯治理；殘余瓦斯壓力；透氣性系數(shù)

Methane Prevention of Pressure-released Zone in Mining Face with High-methane

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.021

[引用格式]李云,冷超，劉壘.高瓦斯回采工作面卸壓帶瓦斯治理技術(shù)研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：77-79，10.

回采工作面的瓦斯來(lái)源主要有煤壁瓦斯涌出、工作面落煤瓦斯涌出及采空區(qū)瓦斯涌出[1]。隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)組割煤速度加快、采煤落塊變小，瓦斯涌出量不斷上升。最大程度預(yù)抽工作面?zhèn)洳擅后w瓦斯可有效減少落煤瓦斯涌出量，是治理工作面瓦斯的關(guān)鍵。

工作面前方煤體受采動(dòng)影響，應(yīng)力發(fā)生重新分布，可將其分為卸壓區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[1]。卸壓區(qū)內(nèi)煤體瓦斯壓力下降，透氣性系數(shù)增大，是進(jìn)行瓦斯抽放最佳區(qū)域。林柏泉、周世寧應(yīng)用彈塑性力學(xué)理論，探討了煤巷卸壓帶對(duì)煤與瓦斯突出的作用機(jī)理[2]。宋振騏、謝廣祥等人從工作面支撐壓力方面對(duì)卸壓區(qū)進(jìn)行了研究[3-5]。李學(xué)臣、付江偉、廖志強(qiáng)等人結(jié)合工作面卸壓帶寬度對(duì)瓦斯抽放技術(shù)進(jìn)行了研究[6-9]。卸壓帶寬度的確定對(duì)卸壓區(qū)瓦斯抽采具有重要的意義。

1卸壓帶理論

受煤層開采影響，工作面前方煤體應(yīng)力發(fā)生重新分布。通?？蓪⑵浞譃?個(gè)區(qū)域：卸壓區(qū)、集中應(yīng)力區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。各區(qū)域內(nèi)煤體的應(yīng)力、瓦斯壓力都呈現(xiàn)不同變化特征，如圖1所示。

圖1　工作面煤體應(yīng)力及瓦斯壓力變化規(guī)律

(1)卸壓區(qū)該部分為工作面煤體自由面，最先發(fā)生變形，裂隙不斷擴(kuò)張，巖體強(qiáng)度顯著下降，應(yīng)力向回采方向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，故稱之為卸壓區(qū)。在卸壓區(qū)中煤體透氣性系數(shù)增大，瓦斯壓力較低且梯度比較平緩。

(2)集中應(yīng)力區(qū)隨著煤壁不斷變形，深部煤體承受壓力增大，產(chǎn)生應(yīng)力集中。該部分煤體密實(shí)度增大，透氣性系數(shù)隨之降低，瓦斯得不到釋放,壓力增大。

(3)原巖應(yīng)力區(qū)該部分煤體離工作面較遠(yuǎn)，不受工作面采動(dòng)影響，煤體仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。該部分煤體內(nèi)，瓦斯壓力及透氣性系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

卸壓區(qū)煤體強(qiáng)度低，受集中應(yīng)力區(qū)瓦斯壓力作用大，容易發(fā)生煤與瓦斯突出。合理確定卸壓帶寬度，充分利用其透氣性系數(shù)大的特點(diǎn)，進(jìn)行瓦斯預(yù)抽是預(yù)防瓦斯突出及解決工作面瓦斯涌出的關(guān)鍵。

2卸壓帶寬度測(cè)量技術(shù)原理

根據(jù)卸壓帶理論，進(jìn)入卸壓帶煤層瓦斯壓力開始下降，透氣性系數(shù)增加，瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽恐鸩皆龃笾磷畲笾?，隨后經(jīng)過一定時(shí)間抽采后會(huì)逐步下降，直到失去作用。因此，可將卸壓帶抽采分為始抽段、高濃度段和衰減段。通過卸壓帶瓦斯?jié)舛鹊淖兓Y(jié)合殘余瓦斯壓力的變化趨勢(shì)，可以確定動(dòng)態(tài)卸壓帶的寬度。

2.1　殘余瓦斯壓力測(cè)定原理

殘余瓦斯壓力的測(cè)定采用打孔注氣驅(qū)替煤層瓦斯、平衡殘余瓦斯壓力的方法進(jìn)行[10]。其主要原理是通過向煤體內(nèi)注入N2或CO2等氣體，使煤體周圍的瓦斯可以被置換或驅(qū)替，煤體透氣性系數(shù)增大，瓦斯?jié)舛燃俺椴闪侩S之增大，通過注氣穩(wěn)定后的壓力值可以判定煤層殘余瓦斯壓力。

常用補(bǔ)償氣體CO2，N2和CH4與等溫吸附有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)存在差別，使得煤對(duì)三者的吸附性能也存在差異。研究發(fā)現(xiàn)[11]，煤對(duì)三者的吸附能力為CO2>CH4>N2，但在高瓦斯或者突出礦井中，向煤層中注入大量CO2會(huì)增加煤層的突出危險(xiǎn)性，同時(shí)N2作為補(bǔ)償氣體測(cè)量誤差較小，故本次試驗(yàn)選用注氮法[11-12]。

2.2　瓦斯?jié)舛葴y(cè)定原理

隨著回采工作面的推進(jìn)，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葧?huì)因其位置的變化呈現(xiàn)類似上述“三段”式的變化規(guī)律，可通過連續(xù)觀測(cè)不同鉆孔的濃度變化規(guī)律，結(jié)合不同應(yīng)力區(qū)域透氣性系數(shù)的變化確定卸壓帶寬度。瓦斯?jié)舛韧ㄟ^鉆孔預(yù)留觀測(cè)孔使用光學(xué)瓦檢儀測(cè)量。

3卸壓帶寬度測(cè)量方案

3.1　工作面概況

余吾煤礦位于山西沁水煤田東部中段，礦井主采3號(hào)煤層，煤層平均厚度6.17m，平均瓦斯含量8.51 m3/t，瓦斯壓力0.42~1.48MPa，礦井瓦斯涌出量達(dá)307.4 m3/min，屬于典型的高瓦斯礦井。

N1102工作面位于礦井北翼采區(qū)，埋深534m?；夭沙跗诓捎秒pU型通風(fēng)。2014年5月改為“單U+高抽巷”的瓦斯治理模式，工作面先后采取了順層鉆孔、裂隙鉆孔、千米鉆機(jī)鉆孔、采空區(qū)埋管等瓦斯治理措施。

3.2　測(cè)量方案

N1102工作面順層鉆孔孔徑94mm，孔深150m，間距2.0m，封孔長(zhǎng)度14.0m，其孔深與封孔長(zhǎng)度均滿足試驗(yàn)要求，可作為試驗(yàn)鉆孔。試驗(yàn)時(shí)，在距工作面60m范圍內(nèi)挑選可利用鉆孔進(jìn)行拆卸，完成注氣試驗(yàn)。

采用注氮法測(cè)定煤層殘余瓦斯壓力。井下純CO2和純N2氣源取氣困難，而空氣中N2約占80%，為此，利用井下壓風(fēng)系統(tǒng)作為氣體來(lái)源。

采用φ15mm高壓膠管與靜壓風(fēng)管相連向測(cè)壓孔中注氣使煤層瓦斯壓力快速達(dá)到平衡。為及時(shí)觀測(cè)充入氣體壓力，應(yīng)在孔口安裝壓力表。充氣壓力不宜過高，可根據(jù)壓力的實(shí)際變化少量多次補(bǔ)充，待壓力穩(wěn)定后，停止注氣進(jìn)行穩(wěn)壓觀測(cè)，對(duì)壓力變化每分鐘記錄1次。

工作面正?；夭蓵r(shí)，沿工作面推進(jìn)方向的第1個(gè)鉆孔開始，每2.0m測(cè)定1個(gè)單孔濃度，每天觀測(cè)1次，若鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)類似“三段”變化時(shí)，可對(duì)其連續(xù)觀測(cè)3次。然后根據(jù)測(cè)得濃度及各鉆孔終孔距工作面水平距離，得出兩者間的變化關(guān)系，確定卸壓帶的寬度。

4卸壓帶寬度確定

4.1　殘余瓦斯壓力考察

N1102工作面煤層原始瓦斯壓力為0.9MPa，已預(yù)抽一年半時(shí)間，注氮壓力選為0.6MPa，注氮時(shí)長(zhǎng)定為1.5h。當(dāng)壓力達(dá)到平衡后，分別記錄各鉆孔注氮后25min內(nèi)壓力表讀數(shù)變化情況。各鉆孔最后穩(wěn)定壓力及平均降壓速度的變化規(guī)律見圖2。

圖2　不同應(yīng)力區(qū)域殘余瓦斯壓力變化規(guī)律

由圖2可知，在距工作面煤壁18m以內(nèi)測(cè)壓孔穩(wěn)定壓力逐漸增大，平均降壓速度相對(duì)平穩(wěn)；在距工作面煤壁18～50m測(cè)壓孔平均降壓速度明顯升高，穩(wěn)定壓力值增大；距工作面煤壁50m以外區(qū)域，測(cè)壓孔平均降壓速度增大，穩(wěn)定壓力值有所減小。從以上分析知，該工作面卸壓區(qū)寬度在18~22m之間，應(yīng)力集中區(qū)在22～45m之間，45m以后為原巖應(yīng)力區(qū)。

4.2　瓦斯?jié)舛瓤疾?/h2>

按照試驗(yàn)方案，在工作面膠帶巷與回風(fēng)巷對(duì)距離工作面50m范圍內(nèi)的鉆孔進(jìn)行了濃度觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　膠帶巷鉆孔不同應(yīng)力區(qū)域濃度變化規(guī)律

圖4　回風(fēng)巷鉆孔不同應(yīng)力區(qū)域濃度變化規(guī)律

由觀測(cè)結(jié)果可知，距工作面22m范圍內(nèi)，鉆孔瓦斯?jié)舛戎鸩皆龃?，平均濃度?0%左右，該區(qū)域內(nèi)煤層瓦斯壓力下降，透氣性系數(shù)增大；在距工作面40m以外位置，順層鉆孔瓦斯?jié)舛然氐狡椒€(wěn)數(shù)值。

4.3　卸壓帶寬度確定

通過對(duì)鉆孔內(nèi)煤體殘余瓦斯壓力和濃度觀測(cè)，可以確定N1102工作面卸壓帶的寬度為22m，應(yīng)力集中區(qū)在22～40m左右，40m以外為原巖應(yīng)力區(qū)。

5卸壓帶瓦斯排放技術(shù)應(yīng)用

為減小回采過程中工作面的瓦斯涌出量，N1102工作面回采前進(jìn)行了卸壓帶瓦斯排放孔施工[6,13]。鑒于兩條巷道內(nèi)順層鉆孔的封孔長(zhǎng)度為14m，瓦斯排放孔布置范圍定為N1102工作面距膠帶巷與回風(fēng)巷斷面各15m范圍內(nèi)，施工長(zhǎng)度270m。

5.1　卸壓帶排放孔設(shè)計(jì)

根據(jù)卸壓帶測(cè)量結(jié)果，將排放孔深度設(shè)計(jì)為35m。不僅可以排放卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯,還能使集中應(yīng)力區(qū)的瓦斯壓力得到釋放，減小回采工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性。排放孔沿工作面長(zhǎng)度方向布置，直徑65mm，水平間距1.0m，上下排距0.5m，其平面布置圖如圖5所示。

圖5　卸壓帶瓦斯排放孔平面布置

為有效釋放卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯，排放孔分上下兩排施工，開孔高度分別為1.2m，1.7m，其中第1排鉆孔為斜孔，與工作面走向成5°角，終孔位置位于煤層頂板，可有效排放頂煤內(nèi)瓦斯；第2排鉆孔為平行孔，與工作面走向成0°角，用以排放采高范圍內(nèi)煤體瓦斯，如圖6所示。

圖6　卸壓帶瓦斯排放孔剖面

工作面回采過程中，以22m為1個(gè)循環(huán)，每回采22m打設(shè)1次瓦斯排放孔。除此之外，為最大限度延長(zhǎng)卸壓區(qū)內(nèi)順層鉆孔的預(yù)抽時(shí)間，兩巷道內(nèi)的順層鉆孔應(yīng)在回采時(shí)再進(jìn)行拆除。

5.2　卸壓帶瓦斯排放效果

試驗(yàn)期間，N1102工作面改為單“U”型通風(fēng)，配風(fēng)量3600m3/min。經(jīng)過提前打設(shè)卸壓帶排放孔進(jìn)行卸壓瓦斯預(yù)先排放，回采期間工作面絕對(duì)瓦斯涌出量由54.02m3/min降至42.32m3/min，降低幅度21%；回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔?.68%降低至0.46%，降低幅度32%。卸壓帶瓦斯預(yù)排放技術(shù)有效降低了工作面回采期間的瓦斯涌出量，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

6結(jié)論

工作面卸壓帶寬度的確定對(duì)工作面前方煤體卸壓瓦斯的排放及防突具有重要的指導(dǎo)意義。

(1)結(jié)合工作面前方煤層壓力的變化規(guī)律，分析了不同區(qū)域內(nèi)瓦斯壓力及透氣性系數(shù)的變化規(guī)律，為卸壓帶寬度測(cè)量提供理論依據(jù)。

(2)采用主動(dòng)測(cè)壓法對(duì)殘余瓦斯壓力以及鉆孔瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測(cè)定，得出卸壓區(qū)寬度為22m。

(3)在卸壓帶寬度測(cè)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工作面卸壓帶瓦斯排放孔設(shè)計(jì)，預(yù)先排放卸壓帶內(nèi)瓦斯對(duì)減小回采期間工作面瓦斯涌出量及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕鸬搅肆己玫男Ч?/p>

(4)通過在工作面打設(shè)卸壓帶瓦斯排放孔，可以降低工作面瓦斯突出危險(xiǎn)性，保證工作面安全高效生產(chǎn)。

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[責(zé)任編輯:施紅霞]

[作者簡(jiǎn)介]李云(1986-)，男，山西長(zhǎng)治人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事礦井通風(fēng)與瓦斯防治方面的工作。

[收稿日期]2015-01-20

[中圖分類號(hào)]TD712.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0077-03