特厚煤層工作面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

特厚煤層工作面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

工作面采空區(qū)瓦斯治理一直是煤礦安全生產(chǎn)中最為重要工作之一。以塔山礦為研究背景，為有效遏制因地面大氣壓變化而引起的采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象所造成的瓦斯超限問(wèn)題，采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術(shù)相結(jié)合的治理方法,經(jīng)過(guò)處理后的采空區(qū)瓦斯含量極少，平均為0.4%左右，對(duì)工作面回采的影響較弱，從而最大程度地保證了8204工作面的安全生產(chǎn)，同時(shí)也為類似的特厚煤層工作面采空區(qū)瓦斯治理提供了借鑒。

特厚煤層 采空區(qū) 瓦斯治理 地面鉆孔 井下注氮技術(shù)

高瓦斯礦井在煤層不能一次完全采出的情況下，采空區(qū)積存有大量高濃度瓦斯；在采空區(qū)漏風(fēng)的作用下，瓦斯沿漏回風(fēng)隅角大量涌入工作面，造成工作面瓦斯嚴(yán)重超限。當(dāng)工作面瓦斯絕對(duì)涌出量超過(guò)通風(fēng)稀釋的極限量時(shí)，必須采取瓦斯抽采措施。國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，王兆豐等[1]針對(duì)成莊煤礦4308綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，運(yùn)用采空區(qū)尾巷埋管、頂板走向長(zhǎng)鉆孔及地面鉆井等多種抽放措施對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，從而達(dá)到治理瓦斯的目的。李宗翔等[2]運(yùn)用有限元法，提出了采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度的概念,論證了用瓦斯涌出強(qiáng)度衡量采空區(qū)瓦斯涌出的科學(xué)意義。王海賓等[3]提出了有效治理采空區(qū)有害氣體對(duì)小煤柱掘進(jìn)工作面掘進(jìn)、回采過(guò)程影響的技術(shù)體系。本文針對(duì)塔山煤礦8206工作面采空區(qū)的實(shí)際情況，提出采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術(shù)相結(jié)合的瓦斯治理方法，以驗(yàn)證其有效性。

1 工程概況

塔山煤礦位于大同煤田中東部邊緣地帶，口泉河兩側(cè)，鵝毛口河以北，七峰山西側(cè)，為高瓦斯礦井，透氣性系數(shù)較低，屬于較難抽放煤層。8204工作面位于塔山井田東南部、二盤區(qū)東北部，東鄰8202采空區(qū)，西南為8206采空區(qū)，西北部為F13810斷層，東南部為二盤區(qū)回風(fēng)巷。工作面長(zhǎng)162 m，走向長(zhǎng)1 100 m，主采煤層為3#～5#煤層，總厚11.81～17.76 m，平均厚14.83 m，屬于特厚煤層。8204綜放工作面與8206采空區(qū)相鄰，留設(shè)的小煤柱寬度僅為6 m。因地面大氣壓變化而引起的采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象造成8204工作面回采期間，8206采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯經(jīng)小煤柱內(nèi)部和上覆巖層裂隙進(jìn)入8204工作面及采空區(qū)，引起瓦斯超限。8204工作面與8206工作面采空區(qū)位置關(guān)系見圖1。因此，在8204工作面未正式開采前，需要對(duì)8206采空區(qū)積聚的瓦斯進(jìn)行治理，若只依靠工作面負(fù)壓通風(fēng)不能有效地解決工作面瓦斯涌出問(wèn)題，必須采取合理有效的瓦斯抽排措施。

2 8206采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)

采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術(shù)相結(jié)合的瓦斯治理方法。井下注氮技術(shù)可以置換采空區(qū)高濃度瓦斯氣體，這樣一方面可以平衡8206采空區(qū)與8204巷內(nèi)的氣壓，消除采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象；另一方面也可以利用大量氮?dú)鈱⒉煽諈^(qū)高濃度瓦斯逐步置換，使采空區(qū)內(nèi)形成低瓦斯含量的混合氣體，消除采空區(qū)內(nèi)的瓦斯隱患。

2.1 地面鉆孔瓦斯抽放

依據(jù)地表實(shí)際地質(zhì)環(huán)境和水文條件等情況，綜合考慮采空區(qū)上覆巖層“三帶”劃分情況以及O形圈理論，并分析瓦斯在采空區(qū)上覆巖層裂隙中的運(yùn)移特點(diǎn)[3-8]，結(jié)合8206工作面回采實(shí)際情況和與8204工作面相對(duì)位置關(guān)系，確定在8206采空區(qū)對(duì)應(yīng)地面布置2個(gè)垂直瓦斯抽放鉆孔。

考慮8206工作面回采時(shí)，在距停采線80 m處進(jìn)入不放煤區(qū)域，則退后約200 m以后均為采空區(qū)垮落較好的區(qū)域。結(jié)合8204工作面走向長(zhǎng)度，確定1#、2#鉆孔走向位置距8206工作面停采線約350，500 m，距8204工作面切眼分別為320，170 m，基本上位于8204工作面中部。

圖1 8204工作面與8206工作面采空區(qū)相對(duì)位置關(guān)系

采空區(qū)瓦斯在水平方向上多積聚賦存在上覆巖層垮落運(yùn)動(dòng)而形成的O型圈內(nèi)部，只有將鉆孔布置在O型圈范圍內(nèi)，才能最有效抽放采空區(qū)內(nèi)瓦斯[9-11]。若采空區(qū)冒落高度按3倍采高(約50 m)，垮落角按60°計(jì)算[12]，則8206采空區(qū)內(nèi)部的O形圈位置約在內(nèi)錯(cuò)5206巷40 m處。考慮到8206工作面開采期間“頭三尾四”不放煤的回采工藝，將鉆孔開孔定位在水平方向上內(nèi)錯(cuò)5206巷40～70 m處。

采空區(qū)瓦斯在豎直方向上多積聚于上覆巖層垮落運(yùn)動(dòng)而形成的冒落帶和裂隙帶內(nèi)，終孔位置需布置在采空區(qū)裂隙帶內(nèi)[13-15]。根據(jù)塔山礦其他工作面采空區(qū)地面鉆孔抽放結(jié)果分析，確定采空區(qū)冒落帶高度約50 m，裂隙帶高度為50～200 m，根據(jù)鉆孔施工期間氣體及孔內(nèi)窺視情況，1#、2#鉆孔終孔位置分別在距煤層底板約125和80 m處。地面瓦斯抽放鉆孔示意見圖2。

圖2 地面瓦斯抽放鉆孔布置

2.2 井下注氮技術(shù)

采用注氮的方式置換采空區(qū)高濃度瓦斯，分別在2206巷密閉、5206巷密閉和5204巷打孔對(duì)8206采空區(qū)注氮。注氮管路布置見圖3。制氮車間位于二風(fēng)井制氮機(jī)房?jī)?nèi)，2204巷道內(nèi)φ159 mm注氮管路與二盤區(qū)進(jìn)風(fēng)大巷φ273 mm注氮管路對(duì)接，在工作面2204巷進(jìn)風(fēng)端頭沿采空區(qū)埋設(shè)2趟φ108 mm鋼絲纏繞管路，采用錯(cuò)步方式注氮;5204巷仍采用原注氮管路向相鄰采空區(qū)注氮。

圖3 采空區(qū)注氮管路敷設(shè)示意

2.2.1 注氮量確定

(1)按采空區(qū)氧化帶氧濃度計(jì)算:

(1)

式中,QN為注氮流量，m3/min；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，取20 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)O2平均濃度，18%～7%，取13%；C2為采空區(qū)惰化指標(biāo)，取7%；CN為注入氮?dú)鉂舛龋?7%；k為備用系數(shù)，一般為1.2～1.5，取1.5。

按稀釋采空區(qū)氧化帶氧濃度至惰化濃度計(jì)算得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

(2)按產(chǎn)量計(jì)算采空區(qū)注氮流量，其實(shí)質(zhì)是向采空區(qū)注入一定流量的氮?dú)?，以惰化每天采煤所形成的空間體積，使其氧氣濃度降到惰化指標(biāo)所需要的注氮流量，按下式計(jì)算：

(2)

式中，QN為注氮流量，m3/min；A為年產(chǎn)量，小煤柱工作面年產(chǎn)量為500萬(wàn)t；t為年工作日，取330 d；ρ為煤的密度，取1.4 t/m3；η1為管路輸?shù)?，一般?.9；η2為采空區(qū)注氮效率，取0.55；C1為空氣中的氧含量，取20.9%；C2為采空區(qū)惰化指標(biāo)，規(guī)程定為7%；k為備用系數(shù)，一般為1.2～1.5，取1.5。

按產(chǎn)量計(jì)算采空區(qū)注氮流量得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

通過(guò)上述計(jì)算，結(jié)合8204綜放面開采條件，將注氮流量確定為45 m3/min(2 700 m3/h)。

2.2.2 注氮管路直徑計(jì)算

管路直徑的選擇應(yīng)滿足以下2個(gè)條件：一是在正常時(shí)期進(jìn)行注氮時(shí)，管路直徑必須滿足注氮時(shí)的最大流量；二是氮?dú)獬隹诘膲毫σ蟾哂谧⒌獏^(qū)域的壓力，使注氮區(qū)域始終處于正壓狀態(tài)。

因此，在滿足以上2個(gè)條件時(shí)，注氮管路的直徑可按下式計(jì)算：

(3)

式中,D為管路最小直徑，mm；Qmax為正常時(shí)期最大注氮量，m3/s；v為管路內(nèi)氮?dú)獾钠骄魉?，通常?0～15 m/s，取14 m/s。

經(jīng)計(jì)算，注氮管路最小直徑D=262 mm。

2.2.3 注氮管口壓力計(jì)算

根據(jù)工作面的長(zhǎng)度確定注氮管路的出口壓力不得低于0.35 MPa，否則注氮半徑則達(dá)不到160 m。注氮管路的初始?jí)毫τ?jì)算公式為

(4)

式中,P1為供氮的絕對(duì)壓力，MPa；P2為管路末端的絕對(duì)壓力，MPa，不得低于0.35 MPa；Qmax為最大輸?shù)髁?，m3/h；D0為基準(zhǔn)管直徑，150 mm；Di為實(shí)際輸?shù)睆?，mm；Li為相同直徑管路的長(zhǎng)度，km；λ0為基準(zhǔn)管直徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi為實(shí)際輸?shù)軓降淖枇p失系數(shù)。

根據(jù)注氮管路系統(tǒng)布置及工作面注氮量，按最遠(yuǎn)輸送距離計(jì)算注氮管網(wǎng)初端所需絕對(duì)壓力P1=0.65 MPa,大于制氮設(shè)備輸出壓力，滿足要求。

3 效果分析

3.1 8206采空區(qū)井下注氮量

8204工作面回采之前，8206采空區(qū)井下注氮變化量曲線見圖4?？芍?，8206采空區(qū)不間斷注氮，注氮量在1 500～4 000 m3/h波動(dòng)，平均注氮量約2 000 m3/h。與此同時(shí)又要保持采空區(qū)與8204工作面之間的靜壓平衡，防止瓦斯等氣體流通，所以注氮率不斷進(jìn)行小范圍調(diào)整，以此保證取得良好的瓦斯治理效果。從開始注氮直到8204工作面停采，8206采空區(qū)井下共計(jì)注氮量約863萬(wàn)m3，置換出了大量的瓦斯，有效地降低了采空區(qū)瓦斯含量；而且大量氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)，也對(duì)防火起到了積極的作用。

3.2 地面鉆孔瓦斯抽放量和抽放瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

8206采空區(qū)地面鉆孔瓦斯抽放量和抽放氣體中瓦斯?jié)舛茸兓€見圖5、圖6。

圖4 8206采空區(qū)井下注氮量變化曲線

圖5 8206采空區(qū)地面鉆孔瓦斯抽放量變化曲線

圖6 8206采空區(qū)地面鉆孔抽放瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖5可知，8206采空區(qū)通過(guò)地面鉆孔抽放初期由于采空區(qū)瓦斯含量相對(duì)較高，積聚的瓦斯離鉆孔終孔位置較近等原因，使得鉆孔瓦斯抽放量達(dá)到4～10 m3/min，但很快降低；在以后的整個(gè)抽放過(guò)程中瓦斯抽放量較小，平均抽放量約3 m3/min；這說(shuō)明8206采空區(qū)內(nèi)的瓦斯含量較小，所以單位時(shí)間內(nèi)能夠抽放的瓦斯純量也較小。在這期間地面鉆孔共計(jì)抽放8206采空區(qū)瓦斯約69.8萬(wàn)m3，極大地降低了采空區(qū)瓦斯含量。

已知8206采空區(qū)鉆孔抽放的混合氣體流量不小于75 m3/min，但由圖6可知，在這部分混合氣體中瓦斯?jié)舛容^小，僅占5%～13%，說(shuō)明了采空區(qū)中積聚的瓦斯量不大，可以通過(guò)抽放措施有效地降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，防止向工作面或上隅角積聚。

3.3 8206采空區(qū)殘余瓦斯?jié)舛?/p>

在進(jìn)行地面鉆孔抽放瓦斯的同時(shí)，利用采空區(qū)中的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)8206采空區(qū)中遺留的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到8206采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓€(圖7)?？芍?，通過(guò)采取地面鉆孔抽放結(jié)合井下注氮置換采空區(qū)高濃度瓦斯措施，使得8206采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉抵?.4%左右，相比于5204巷掘進(jìn)期間8206采空區(qū)的平均瓦斯含量16%來(lái)說(shuō)，已經(jīng)顯著降低，對(duì)8204工作面的正常生產(chǎn)影響不大。

圖7 8206采空區(qū)殘余瓦斯?jié)舛茸兓€

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)8204綜放工作面相對(duì)瓦斯涌出量不大，但煤層厚度較大，開采強(qiáng)度較高，又由于受工作面上覆堅(jiān)硬巖層的斷裂及頂板來(lái)壓情況的影響，絕對(duì)瓦斯涌出量較大，涌出異常時(shí)會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，單純依靠工作面負(fù)壓通風(fēng)不能有效地解決工作面瓦斯涌出問(wèn)題，通過(guò)采取采空區(qū)地面瓦斯抽放和井下注氮置換相結(jié)合的綜合治理措施，顯著降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋梢杂行ПＵ瞎ぷ髅娴陌踩咝a(chǎn)，該綜合治理技術(shù)具有較好的推廣價(jià)值。

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2016-10-08)

郝建峰(1971—)，男，通風(fēng)區(qū)區(qū)長(zhǎng)，工程師，037003 山西省大同市。