高瓦斯掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)

王德龍

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

高瓦斯掘進(jìn)工作面瓦斯防治技術(shù)

王德龍

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

針對(duì)高瓦斯掘進(jìn)工作面生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯涌出量大的問(wèn)題，建立瓦斯綜合治理流程，并將瓦斯治理工藝分為瓦斯超限預(yù)測(cè)、瓦斯超限防治措施和效果檢驗(yàn)3個(gè)步驟。瓦斯治理后，掘進(jìn)工作面未發(fā)生瓦斯事故，為工作面安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

瓦斯超限預(yù)測(cè) 瓦斯綜合治理 瓦斯?jié)舛?/p>

礦井瓦斯是在煤成巖過(guò)程中伴生的一種無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)味的氣體，煤層瓦斯存在的普遍規(guī)律是隨著采深增加煤體瓦斯含量增加。針對(duì)礦井開(kāi)采中面臨的瓦斯問(wèn)題，我國(guó)許多專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)瓦斯災(zāi)害防治進(jìn)行了深入研究，魯義[1]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)的方法對(duì)順層瓦斯抽采鉆孔的抽采半徑進(jìn)行了研究。劉軍[2]對(duì)有煤與瓦斯突出煤層的掘進(jìn)工作面的瓦斯防治技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了水力壓裂、交叉鉆孔、鉆墻邊掘邊抽和水力擠出在內(nèi)的瓦斯突出防治“四合一”技術(shù)。郭魏虎[3]通過(guò)加強(qiáng)礦井通風(fēng)管理，采用綜合性瓦斯抽放措施，加強(qiáng)特殊地點(diǎn)、特殊時(shí)段的瓦斯管理，建設(shè)備用安全電源，強(qiáng)化安全管理等手段，降低了礦井瓦斯涌出量，消除了瓦斯超限現(xiàn)象，保證了礦井安全生產(chǎn)。文獻(xiàn)[4-7]也分別針對(duì)不同掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件采用了不同的瓦斯治理方法。本文基于前人的研究成果，以某煤礦-600 m延深工程為背景，開(kāi)展高瓦斯掘進(jìn)工作面瓦斯綜合治理研究工作。

1 工程概況

某煤礦為全隱蔽的華北型石炭、二迭系煤田，礦井-600 m延伸水平煤層平均厚1.2 m，因受巖漿巖侵入煤系地層的影響，煤的變質(zhì)程度增高，加之巖漿巖透氣性差，不利于瓦斯排放，使該區(qū)瓦斯含量較大，為7～12 m3/t，最大瓦斯壓力為0.29 MPa，掘進(jìn)工作面生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯涌出量為1.6～2 m3/min，迎頭及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超過(guò)0.5%，容易發(fā)生瓦斯超限事故。

2 掘進(jìn)工作面瓦斯治理流程

2.1 瓦斯實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)

掘進(jìn)工作面每掘進(jìn)30 m及揭露煤層時(shí)，采用鉆屑瓦斯解析指標(biāo)法進(jìn)行一次瓦斯實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)定瓦斯含量、瓦斯放散初速度Δp、煤的堅(jiān)固性系數(shù)f、防突參數(shù)K1、防突參數(shù)Δh2等參數(shù)。因該煤礦煤體f值不小于1，瓦斯最大壓力小于0.3 MPa，瓦斯放散初速度Δp小于10，破壞類(lèi)型為Ⅱ，與《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》[8]相比，該礦無(wú)瓦斯突出可能，因此，該礦瓦斯治理工作應(yīng)以防止瓦斯超限為目標(biāo)。為對(duì)瓦斯治理效果作出合理評(píng)價(jià)，選取煤體瓦斯含量和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸鳛橥咚怪卫硇Ч脑u(píng)價(jià)指標(biāo)，瓦斯含量臨界值定為8 m3/t，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰R界值定為0.5%，當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定瓦斯含量大于8 m3/t或回風(fēng)流瓦斯?jié)舛却笥?.5%時(shí)，執(zhí)行2.2～2.7章節(jié)程序。

2.2 停工通知單下發(fā)

《掘進(jìn)工作面停工通知單》主要包括施工單位、施工地點(diǎn)、取樣位置、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、煤樣實(shí)驗(yàn)瓦斯含量和臨界值、迎頭瓦斯?jié)舛?、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?項(xiàng)基本內(nèi)容。停工通知單瓦斯實(shí)驗(yàn)參數(shù)由本礦下屬的瓦斯治理專(zhuān)業(yè)化公司提供，通防科負(fù)責(zé)編制，一式5份，通防科、安監(jiān)處、調(diào)度室、生產(chǎn)工區(qū)和瓦斯治理專(zhuān)業(yè)化公司各存檔一份。

2.3 瓦斯治理設(shè)計(jì)

通防科根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定瓦斯治理設(shè)計(jì)方案，瓦斯治理專(zhuān)業(yè)化公司根據(jù)治理設(shè)計(jì)方案施工。

2.4 鉆孔施工及封孔

鉆孔實(shí)際長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，角度誤差不超過(guò)1°，開(kāi)孔位置誤差不超過(guò)0.5 m，鉆孔施工完畢，采用水泥注漿封孔。

2.5 連孔抽采

在瓦斯抽采孔口處安裝壓力表，并通過(guò)高壓膠管、閥門(mén)和變徑將瓦斯抽采孔連接到抽采管路上抽采。

2.6 瓦斯治理效果評(píng)定

瓦斯抽采一段時(shí)間后，測(cè)定煤體瓦斯含量，檢查回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋?dāng)測(cè)定瓦斯含量小于8 m3/t，且回風(fēng)流瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時(shí)，瓦斯治理專(zhuān)業(yè)化公司編制瓦斯治理效果評(píng)價(jià)報(bào)告并報(bào)送通防科，執(zhí)行2.7章節(jié)程序。當(dāng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定瓦斯含量不小于8 m3/t或瓦斯?jié)舛炔恍∮?.5%時(shí)，執(zhí)行2.5～2.7章節(jié)程序。

2.7 復(fù)工通知單下發(fā)

瓦斯治理效果評(píng)價(jià)合格后，通防科編制《掘進(jìn)工作面復(fù)工通知單》，一式5份，報(bào)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)簽字，通防科、瓦斯治理專(zhuān)業(yè)化公司、調(diào)度室、安監(jiān)處各存檔一份，剩余一份交施工單位。施工單位接到復(fù)工通知單后恢復(fù)工作面生產(chǎn)，仍嚴(yán)格執(zhí)行以上程序。

3 掘進(jìn)工作面瓦斯綜合治理工藝

3.1 瓦斯預(yù)測(cè)檢驗(yàn)鉆孔施工

3.1.1 預(yù)測(cè)檢驗(yàn)鉆孔布置

在煤層中布置3個(gè)預(yù)測(cè)檢驗(yàn)鉆孔，采用φ42 mm效檢鉆桿施工，鉆孔間距不小于1.2 m，以-600 m西翼大巷掘進(jìn)工作面為例，掘進(jìn)工作面煤層厚1.3 m，巷道挑頂破底掘進(jìn)，巷道寬5 m，墻高1.6 m，拱高2 m。1#鉆孔布置在掘進(jìn)工作面煤層中部并平行于掘進(jìn)方向，長(zhǎng)10 m；2#、3#鉆孔位于巷道中心線左右側(cè)1.5 m處的煤層中部，與巷道方向左右偏20°，長(zhǎng)10 m。掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)檢驗(yàn)孔布置見(jiàn)圖1，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 預(yù)測(cè)檢驗(yàn)鉆孔布置

孔號(hào)與巷道方向夾角/(°)施工長(zhǎng)度/m1#0102#-20103#2010

備注：巷道方向夾角左偏為正值,右偏為負(fù)值。

3.1.2 瓦斯參數(shù)試驗(yàn)

當(dāng)檢驗(yàn)鉆孔鉆進(jìn)5 m后，實(shí)驗(yàn)員取煤粉1 200 g裝入煤樣罐，并現(xiàn)場(chǎng)解析，井下解析完畢后立即關(guān)閉煤樣罐閥門(mén)，把煤樣罐等實(shí)驗(yàn)物品帶到井上實(shí)驗(yàn)室全面分析。瓦斯實(shí)驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)采樣分析得出瓦斯含量、瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)、K1、Δh2等參數(shù)，并形成報(bào)告報(bào)通防科。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果確定生產(chǎn)或停工。

3.2 瓦斯抽采鉆孔施工

3.2.1 抽采鉆孔布置

3.2.1.1 掘進(jìn)迎頭瓦斯抽采鉆孔布置

用φ90 mm鉆頭在掘進(jìn)巷道迎頭施工瓦斯抽采鉆孔，控制巷道輪廓左右5 m。其中，迎頭施工6個(gè)煤層鉆孔，迎頭后方1 m處兩幫順煤層各施工一個(gè)鉆孔，先施工迎頭煤層鉆孔，再施工兩幫煤層鉆孔。煤層鉆孔位于煤層中心，順煤層鉆進(jìn)，鉆孔深60 m，施工完畢后，下φ50 mm套管并采用聚氨酯加水泥封孔，封孔長(zhǎng)度為10 m，每施工完成一個(gè)封孔抽放一個(gè)。具體鉆孔布置見(jiàn)圖2，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 迎頭瓦斯抽采鉆孔布置(單位：mm)

位置鉆孔編號(hào)鉆孔與巷道中心線夾角/(°)鉆孔長(zhǎng)度/m迎頭迎頭退后1m兩幫1#0602#0603#1604#-1605#3606#-3607#5608#-560

備注：角度順時(shí)針為負(fù)值，逆時(shí)針為正值，如瓦斯鉆孔有噴孔等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，在其附近再施工一個(gè)瓦斯抽采鉆孔。

3.2.1.2 兩幫抽采鉆孔布置

為防止巷道兩幫煤體游離瓦斯涌出造成回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?，在巷道兩幫煤體中部施工瓦斯抽采鉆孔，鉆孔順煤層鉆進(jìn)，其軸向與巷幫垂直，長(zhǎng)50 m，間距為10 m，滯后工作面迎頭距離不大于30 m。掘進(jìn)面巷道兩幫瓦斯抽采鉆孔布置見(jiàn)圖3。

圖3 巷道兩幫瓦斯抽采鉆孔布置平面示意

3.2.2 抽采作業(yè)

在瓦斯抽采鉆孔套管上安設(shè)壓力表和控制閥門(mén)，用于監(jiān)測(cè)抽采管道負(fù)壓和控制瓦斯抽采流量，通過(guò)φ50 mm高壓膠管和變徑與瓦斯抽采管路連接，抽采時(shí)迎頭抽采負(fù)壓保持在20 k～30 kPa。

3.3 迎頭瓦斯抽采效果檢驗(yàn)

3.3.1 效果檢驗(yàn)鉆孔布置

掘進(jìn)迎頭瓦斯預(yù)抽一段時(shí)間后，采用φ42 mm效檢鉆桿施工3個(gè)效果驗(yàn)證孔，鉆孔布置在煤層中，與先前預(yù)測(cè)檢驗(yàn)孔間距至少為0.5 m。其中，1#鉆孔布置在掘進(jìn)工作面中部，煤層中心線以上0.5 m處，并平行于掘進(jìn)方向，長(zhǎng)10 m；2#、3#鉆孔位于巷道中心線左右側(cè)2.5 m處，靠近煤幫的煤層中部，與巷道方向左右偏15°，長(zhǎng)10 m。效果檢驗(yàn)孔布置見(jiàn)圖4，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

3.3.2 瓦斯治理效果

瓦斯實(shí)驗(yàn)員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析得出瓦斯含量、瓦斯放散初速度、堅(jiān)固性系數(shù)、K1、Δh2等參數(shù)。檢驗(yàn)后，若煤層中瓦斯含量小于8 m3/t，可下達(dá)復(fù)工通知；若煤層中瓦斯含量仍大于8 m3/t，則繼續(xù)抽采，直至達(dá)標(biāo)為止。

圖4 檢驗(yàn)鉆孔布置

孔號(hào)與巷道方向夾角/(°)施工長(zhǎng)度/m1#0102#-15103#1510

備注：巷道方向夾角左偏為正值，右偏為負(fù)值。

4 結(jié) 論

通過(guò)制定掘進(jìn)面瓦斯治理程序，采用瓦斯超限預(yù)測(cè)、瓦斯超限防治措施和防治措施效果檢驗(yàn)治理工藝，工作面迎頭和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%以下，避免了瓦斯事故發(fā)生，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

[1] 魯 義，申宏敏，秦波濤，等．順層鉆孔瓦斯抽采半徑及布孔間距研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2015，32(1)：156-162．

[2] 劉 軍，夏會(huì)輝，楊宏民，等．煤與瓦斯突出煤層綜掘工作面瓦斯防治技術(shù)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(4)：67-70，74．

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[8] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．

2016-10-14)

王德龍(1983—)，男，碩士研究生，266590 山東省青島市。