井下相鄰采空區(qū)有害氣體防治技術(shù)研究

常建國(guó)

(大同煤礦集團(tuán)公司 通風(fēng)處，山西 大同 037000)

·試驗(yàn)研究·

井下相鄰采空區(qū)有害氣體防治技術(shù)研究

常建國(guó)

(大同煤礦集團(tuán)公司 通風(fēng)處，山西 大同 037000)

針對(duì)塔山煤礦特厚煤層小煤柱工作面開(kāi)采期間由于沿空掘巷導(dǎo)致與相鄰采空區(qū)出現(xiàn)呼吸現(xiàn)象的問(wèn)題，提出了利用地面鉆孔抽放結(jié)合井下注氮，置換采空區(qū)高濃度瓦斯氣體的解決方案。一方面平衡相鄰采空區(qū)與小煤柱工作面之間的壓差，消除采空區(qū)“呼吸”問(wèn)題；另一方面利用氮?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)瓦斯、自燃隱患，為小煤柱工作面的安全順利開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。

特厚煤層；小煤柱工作面；采空區(qū)；地面鉆孔；井下注氮

1 概 述

8204小煤柱綜放工作面是塔山礦第1個(gè)留設(shè)小煤柱的工作面，該工作面與8206已采工作面相鄰，其中5204巷是8204工作面的回風(fēng)巷，與8206工作面采空區(qū)相鄰，留設(shè)煤柱僅為6 m. 具體位置關(guān)系圖見(jiàn)圖1.

圖1 8204小煤柱工作面與8206采空區(qū)位置關(guān)系圖

8206工作面于2010年8月回采完畢，并及時(shí)組織封閉。根據(jù)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：自工作面封閉以來(lái)，采空區(qū)O2濃度在1.8%～3.0%，CO為0×10-6，瓦斯?jié)舛仍?5%～27%，各項(xiàng)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體均控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

自該5204巷進(jìn)入小煤柱掘進(jìn)階段以來(lái)，8206采空區(qū)O2及CO濃度出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，并呈現(xiàn)明顯的“呼吸”現(xiàn)象，根據(jù)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，8206采空區(qū)O2濃度最高達(dá)到14%，CO最高達(dá)到80×10-6.

因此，提出對(duì)8206采空區(qū)實(shí)施地面瓦斯抽放結(jié)合井下注氮的技術(shù)手段，一方面可以平衡8206采空區(qū)與5204巷內(nèi)的氣壓，消除采空區(qū)“呼吸”問(wèn)題；另一方面可以利用氮?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，防止8204工作面掘進(jìn)及回采期間采空區(qū)氣體溢出，消除采空區(qū)瓦斯、自燃隱患。

2 技術(shù)原理分析

本方案主要依據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體由于輕重不同而分層分布的原理，考慮在采空區(qū)底部注入分子量較重的氮?dú)?，進(jìn)一步將分子量較輕的瓦斯氣體擠到采空區(qū)上部，通過(guò)在地面施工垂直鉆孔至采空區(qū)上部，利用瓦斯抽放泵進(jìn)行抽放，提供穩(wěn)定負(fù)壓，使采空區(qū)上部高濃度瓦斯混合氣體排出地面，從而實(shí)現(xiàn)采空區(qū)高濃度瓦斯氣體的置換(具體情況見(jiàn)圖2).同時(shí)，為了平衡采空區(qū)壓差，消除“呼吸”現(xiàn)象，防止因抽放造成自然發(fā)火，需充分考慮抽放和注氮之間量的平衡關(guān)系。

圖2 注氮置換采空區(qū)高濃度瓦斯采空區(qū)流場(chǎng)示意圖

若垮落帶高度按照3倍采高考慮，則8206工作面采空空間為長(zhǎng)1 182 m×寬230.5 m×高50 m，采空區(qū)賦存混合氣體總量為1 362萬(wàn)m3. 考慮瓦斯自然上浮，高濃度瓦斯混合氣體存在于采空區(qū)上部，將采空空間從垂直方向上分為上部30 m和下部20 m兩部分，其中上部30 m為高濃度瓦斯混合氣體存在區(qū)域。

通過(guò)初步計(jì)算和分析，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的諸多因素影響，為確保在8204工作面投產(chǎn)前，完成氣體置換，初步設(shè)計(jì)鉆孔抽排混合量為75 m3/min，井下需同時(shí)注入的氮?dú)饬坎坏玫陀? 500 m3/h.

3 參數(shù)確定

根據(jù)上述抽放量的要求，設(shè)計(jì)布置2個(gè)地面瓦斯抽放鉆孔。綜合考慮采空區(qū)“三帶”劃分以及“O”形圈理論，結(jié)合8206工作面回采實(shí)際情況，確定地面瓦斯抽放鉆孔布置的參數(shù)如下：

1) 走向及內(nèi)錯(cuò)。

考慮8206工作面距停采線(xiàn)80 m進(jìn)入不放煤區(qū)，則退后200 m為采空區(qū)垮落較好區(qū)域，結(jié)合8204工作面走向長(zhǎng)度，確定鉆孔走向位置為距8206工作面停采線(xiàn)280 m，此處距8204工作面切眼498 m，基本位于8204工作面中部，能夠起到最佳的治理效果。

若冒落高度按照3倍采高(50 m)計(jì)算，垮落角按照52°計(jì)算，則可知“O”形圈位置在內(nèi)錯(cuò)5206巷40 m處，考慮到8206工作面開(kāi)采期間“頭三尾四”不放煤，設(shè)計(jì)將鉆孔開(kāi)孔位置定位內(nèi)錯(cuò)5206巷60 m.

2) 終孔位置。

為了抽出高濃度瓦斯混合氣體，終孔位置需位于采空區(qū)斷裂帶。根據(jù)8214工作面地面“L”型鉆孔抽放結(jié)果分析，確定采空區(qū)垮落帶高度為50 m，根據(jù)鉆孔施工期間氣體及孔內(nèi)窺視情況，初步設(shè)計(jì)鉆孔終孔位置距煤層底板125 m. 鉆孔位置布置具體見(jiàn)圖3，4.

圖3 地面抽放鉆孔位置布置示意圖

圖4 地面鉆孔剖面示意圖

3) 孔徑及套管。

結(jié)合單孔瓦斯抽排混合量要求，通過(guò)初步計(jì)算，確定施工鉆孔d311 mm. 考慮到上覆巖層含高齡質(zhì)泥巖遇水膨脹，容易堵孔，同時(shí)從鉆孔的整體抽放效率出發(fā)考慮，需對(duì)鉆孔下套管護(hù)孔，根據(jù)工作面上覆巖層實(shí)際情況，套管設(shè)計(jì)選用d219 mm×10 mm無(wú)縫鋼管，下套管長(zhǎng)度125 m. 具體鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖5.

表1 8204工作面地面垂直鉆孔布置參數(shù)表

圖5 地面抽放鉆孔平面示意圖

4 地面抽放及井下注氮系統(tǒng)布置

1) 抽放系統(tǒng)。

綜合考慮地表地形及鉆孔布置位置，設(shè)計(jì)在8206工作面地面合適位置布置地面臨時(shí)抽放泵站。

根據(jù)鉆孔單孔抽放量估算，泵站設(shè)計(jì)選擇1套(1用1備2臺(tái)泵)2BEY42型水環(huán)真空泵，配套DN300鋼管作為抽放管路與鉆孔連接抽放。瓦斯抽放泵具體參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 2BEY42型水環(huán)真空泵主要技術(shù)參數(shù)表

2) 注氮系統(tǒng)。

按照方案要求，8206采空區(qū)需配備4 500 m3/h的注氮能力。結(jié)合礦井實(shí)際注氮系統(tǒng)布置及注氮能力，設(shè)計(jì)分別利用5206巷、2206巷停采線(xiàn)預(yù)埋管路以及通過(guò)5204沿空巷道施工鉆孔到8206工作面采空區(qū)進(jìn)行注氮，注氮系統(tǒng)布置具體如下：

a) 5206巷注氮系統(tǒng)：利用二盤(pán)區(qū)地面制氮機(jī)進(jìn)行注氮，注氮管路利用5206巷現(xiàn)有d108注氮管路與二盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷現(xiàn)有d273注氮管路連接。

b) 2206巷注氮系統(tǒng)：在2206配巷穩(wěn)設(shè)4臺(tái)DM-1200/10煤礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置(單臺(tái)制氮能力為500 m3/h)，由2206巷措施孔進(jìn)行注氮。

c) 5204巷注氮系統(tǒng)：利用二盤(pán)區(qū)地面制氮機(jī)進(jìn)行注氮，提前在5204巷鋪設(shè)一趟d159注氮管路，通過(guò)在5204巷小煤柱側(cè)向8206采空區(qū)方向施工d108注氮鉆孔對(duì)8206采空區(qū)進(jìn)行注氮。

根據(jù)方案要求，3套注氮系統(tǒng)總的注氮量不低于4 500 m3/h，初步設(shè)計(jì)3處注氮量平均分配，即每處注氮量不低于1 500 m3/h. 塔山礦二盤(pán)區(qū)地面制氮車(chē)間配備4臺(tái)能力為3 000 m3/h的制氮機(jī)，完全滿(mǎn)足5206巷、5204巷的注氮要求，另外，2206巷移動(dòng)制氮設(shè)備總能力達(dá)2 000 m3/h，滿(mǎn)足2206巷注氮需求。

5 效果分析

截止到8204小煤柱工作面開(kāi)采前，8206工作面采空區(qū)地面抽放結(jié)合井下注氮置換采空區(qū)有害氣體工作共持續(xù)3個(gè)月時(shí)間。地面1#、2#瓦斯抽放鉆孔抽出瓦斯?jié)舛染抵?.0%左右，5204巷取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示8206采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以下。1#、2#瓦斯抽放鉆孔抽放濃度變化情況以及5204巷取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)變化分別見(jiàn)圖6，圖7.

圖6 1#、2#瓦斯抽放鉆孔抽放濃度變化曲線(xiàn)圖

圖7 5204巷取樣孔瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)圖

3個(gè)月內(nèi)，8206工作面地面抽放累計(jì)抽排瓦斯純量537 842 m3，井下累計(jì)注氮4 773 753 m3，降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛?。同時(shí)，通過(guò)注氮和抽放量的調(diào)控，保持了采空區(qū)處于正壓狀態(tài)，杜絕了呼吸現(xiàn)象，防止了采空區(qū)自然發(fā)火以及有害氣體泄漏到5204巷，為8204工作面的安全順利開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。

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Study on Prevention and Control Technology of Harmful Gas in Underground Adjacent Goaf

CHANG Jianguo

During the mining of extra-thick coal seam with small coal pillar in Tashan coal mine, due to the occurrence of respiration in the goaf along the roadway, the paper puts forward the solution of ground drilling and drainage combined with underground nitrogen injection, to achieve the displacement of the high gas in goaf. By so, the gap between the adjacent mined-out area and the current mining face is getting balanced, the breathing problem eliminated, on the other hand, the high concentration of methane in the goaf is displaced by nitrogen, risk of spontaneous combustion hazards removed, laid the foundation for safe mining.

2017-01-12

常建國(guó)(1968—)，男，山西大同人，1992年畢業(yè)于北京煤炭管理干部學(xué)院，工程師，主要從事煤礦通風(fēng)技術(shù)管理工作(E-mail)szp6356@163.com

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1672-0652(2017)02-0015-04