高瓦斯礦井瓦斯治理綜合技術(shù)研究與實(shí)踐

鄧林峰

(山西中煤 華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X礦，山西 運(yùn)城 043300)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

高瓦斯礦井瓦斯治理綜合技術(shù)研究與實(shí)踐

鄧林峰

(山西中煤 華晉能源有限責(zé)任公司王家?guī)X礦，山西 運(yùn)城 043300)

隨著礦井采掘活動(dòng)的延伸，地應(yīng)力、瓦斯壓力增大，煤層瓦斯含量增高，瓦斯(包括瓦斯涌出與突出)災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重。以某高瓦斯礦井深部煤層開(kāi)采為研究背景，進(jìn)行了瓦斯綜合治理的研究。研究結(jié)果表明：采用掘進(jìn)超前鉆孔、本煤層與采空區(qū)瓦斯抽放、高位鉆場(chǎng)及高位鉆孔抽放和回風(fēng)隅角抽采等綜合措施，高瓦斯礦井深部煤層掘進(jìn)期間，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量最大為30 817 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.400 MPa；回采期間，煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，評(píng)價(jià)單元?dú)堄嗤咚箟毫∮?.74 MPa，有效控制了工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

高瓦斯礦井；瓦斯抽采；超前鉆孔；高位鉆孔

近年來(lái)，隨著礦井采掘活動(dòng)的延伸，地應(yīng)力、瓦斯壓力增大，煤層瓦斯含量增高，瓦斯(包括瓦斯涌出與突出)災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重。如何采取瓦斯治理綜合技術(shù)抽采瓦斯，控制工作面的瓦斯?jié)舛龋蔀榱艘粋€(gè)重要的課題。

1 礦井概況

某礦井采用立井多水平開(kāi)拓，共劃分3個(gè)水平：一水平標(biāo)高-300 m、二水平標(biāo)高-480 m、三水平標(biāo)高為-579 m，通常將一、二水平稱為淺部水平，將三水平稱為深部水平。目前，一水平已回采完畢，二水平基本結(jié)束，開(kāi)采深度已達(dá)600 m，礦井開(kāi)采逐步向深部水平集中。礦井主采煤層為2號(hào)煤層，頂板屬Ⅱ級(jí)2類頂板，采煤方法為單一厚煤層一次采全高走(傾)向長(zhǎng)壁后退式全部垮落法的綜合機(jī)械化采煤，自然垮落法管理頂板，2號(hào)煤層屬Ⅱ類自燃煤層，具有自然發(fā)火傾向，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

礦井通風(fēng)方式為兩翼對(duì)角式，主要通風(fēng)機(jī)工作方法為抽出式。進(jìn)風(fēng)井為主、副井、二煤擴(kuò)延區(qū)箕斗井；回風(fēng)井為南風(fēng)井、北風(fēng)井、東風(fēng)井。其中，南風(fēng)井服務(wù)于南翼地區(qū)，北風(fēng)井和東風(fēng)井服務(wù)于北翼地區(qū)。

根據(jù)2013年礦井瓦斯涌出量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量49.17 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量6.46 m3/t，屬高瓦斯礦井。歷年來(lái)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 歷年來(lái)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果表

從表1可以看出，隨著生產(chǎn)的逐步延深，礦井瓦斯涌出量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程表明：深部水平回采工作面瓦斯涌出量20 m3/min左右，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量為3 m3/min左右。根據(jù)以往瓦斯參數(shù)的測(cè)定結(jié)果，2號(hào)煤層的透氣性系數(shù)為0.42～1.10 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.027 3～0.040 4 d-1，屬于可以抽放煤層。

結(jié)合礦井實(shí)際條件，本項(xiàng)目選取-480 m水平12采區(qū)某工作面作為深孔鉆進(jìn)頂板水平長(zhǎng)鉆孔抽放試驗(yàn)區(qū)域。工作面地面位置位于中程村舊址與北程村舊址西北，地面標(biāo)高103.06 m；該工作面為深部水平12采區(qū)首采工作面，處于12采區(qū)左翼，西北到-480北翼二期皮帶巷，東南到12采區(qū)軌道巷，西南到深部水平輔助通風(fēng)巷。工作面底板標(biāo)高-440～-550 m.

該工作面所采煤層為2#煤層，煤層總厚度5.0～5.45 m，平均為5.2 m. 2#煤層頂板基本頂為細(xì)砂巖，厚6.91 m；直接頂為粉砂巖，厚1.62 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚1.98 m；基本底為細(xì)砂巖，厚0.87 m. 工作面內(nèi)2#煤層沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有一層夾矸，煤層及夾矸厚度有一定變化。上層煤厚度為2.00～4.20 m，平均厚度為2.70 m；下層煤厚度為0.82～1.40 m，平均厚度為1.20 m；夾矸厚度為0.40～2.40 m，平均厚度為1.25 m；煤層總厚度為3.69～7.60 m，平均5.15 m. 煤層傾角為4°～11°，平均為7°.

2 瓦斯治理技術(shù)措施及要求

隨著礦井生產(chǎn)的逐步延深，礦井瓦斯涌出量呈現(xiàn)增大趨勢(shì),深部水平回采工作面瓦斯涌出量20 m3/min左右，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量為3 m3/min左右，容易出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，影響礦井的正常生產(chǎn)。該礦井某工作面采用一系列的瓦斯治理技術(shù)，具體包括掘進(jìn)超前鉆孔、本煤層與采空區(qū)瓦斯抽放、高位鉆場(chǎng)及高位鉆孔抽放和回風(fēng)隅角抽采等措施。

1) 超前鉆孔瓦斯治理措施。

2．1 初篩和復(fù)篩基本情況 調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2006－2011年總出生人口數(shù)為29 698例，共篩查27 662例，初篩率為93．14%，初篩率逐年上升，年度間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＜0．01）。初篩通過(guò)24 928例，通過(guò)率90．12%。應(yīng)復(fù)篩2 734例，實(shí)際復(fù)篩1 644例，復(fù)篩率60．13%，復(fù)篩率逐年上升，年度間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2＝117．56，P＜0．01）。復(fù)篩通過(guò)1 413例，通過(guò)率85．95%。見(jiàn)表1。

掘進(jìn)過(guò)程中，工作面軌道巷、皮帶巷采用“一掘一備，交替進(jìn)尺”模式，即：一條巷道進(jìn)尺，另一條巷

道施工迎頭順層長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，待抽采達(dá)標(biāo)后，再行進(jìn)尺，始終保持工作面在允許的安全范圍內(nèi)施工。采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯方式，即在掘進(jìn)工作面前方煤體中施工10個(gè)孔徑為94 mm的順層長(zhǎng)鉆孔(巷道開(kāi)口時(shí)施工12個(gè))，分上下兩排，呈扇形布置，鉆孔控制整條煤巷及其兩側(cè)輪廓線外15 m，鉆孔控制條帶長(zhǎng)度為150 m. 施工完畢一個(gè)鉆孔，及時(shí)采用聚氨酯材料進(jìn)行封孔并接抽，封孔長(zhǎng)度不少于8 m，迎頭長(zhǎng)鉆孔平均預(yù)抽時(shí)間不少于3天，最后一個(gè)鉆孔預(yù)抽時(shí)間不得少于24 h，掘進(jìn)時(shí)留有20 m的超前距。鉆孔布置圖見(jiàn)圖1.

圖1 迎頭順層長(zhǎng)鉆孔布置圖

2) 本煤層及采空區(qū)瓦斯治理措施。

掘進(jìn)期間，在軌道巷、皮帶巷內(nèi)向回采煤層施工順層鉆孔，并進(jìn)行瓦斯抽采，回采前按設(shè)計(jì)全部施工到位。共施工順層孔476個(gè)，孔間距5 m，孔徑94 mm. 終孔間距均在有效抽采半徑允許范圍內(nèi)，布置均勻，對(duì)工作面整個(gè)回采煤層的控制范圍符合《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》有關(guān)要求。鉆孔累計(jì)總孔深52 684 m，鉆孔量為0.029 27 m/t，符合《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(AQ1027-2006)的要求，鉆孔布置平面圖見(jiàn)圖2.

圖2 工作面順層鉆孔布置平面圖

工作面回采期間，利用東風(fēng)井地面永久泵站高、低壓瓦斯抽采系統(tǒng)，分別對(duì)工作面本煤層鉆孔、采空區(qū)(高位鉆場(chǎng)和回風(fēng)隅角)實(shí)施瓦斯抽采。

管路敷設(shè)路線：高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)為東風(fēng)井地面泵站→東風(fēng)井→井底→深部水平皮帶二期→采區(qū)回風(fēng)巷→軌道、皮帶巷回風(fēng)通道→軌道巷、皮帶巷。低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)為東風(fēng)井地面泵站→東風(fēng)井→井底→深部水平皮帶二期→采區(qū)回風(fēng)巷→軌道巷回風(fēng)通道→軌道巷高位鉆場(chǎng)、回風(fēng)隅角。

3) 高位鉆場(chǎng)及高位鉆孔瓦斯治理措施。

工作面高位鉆場(chǎng)布置間距為70 m. 自工作面切眼開(kāi)始，沿工作面走向，在軌道巷內(nèi)靠近回采煤層一側(cè)每隔70 m布置一個(gè)上至煤層頂板的鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)規(guī)格：長(zhǎng)4.0 m×寬4.0 m×高2.5 m，共計(jì)17個(gè)，編號(hào)依次為17#、16#、…1#，以滿足工作面回采期間對(duì)采空區(qū)裂隙帶瓦斯抽放的需要。每組鉆場(chǎng)施工完畢后，在鉆場(chǎng)一側(cè)距鉆場(chǎng)2 m處緊靠巷幫施工一個(gè)水窩，水窩尺寸為長(zhǎng)1.5 m×寬1 m×高1 m. 水窩布置在軌道巷內(nèi)鉆場(chǎng)較低一側(cè)。高位鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3.

圖3 高位鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)圖

4) 回風(fēng)隅角抽采。

在回采工作面軌道巷內(nèi)敷設(shè)一趟d400 mm的抽放管路，并與東風(fēng)井瓦斯抽放系統(tǒng)的低負(fù)系統(tǒng)抽放管路對(duì)接后，形成采煤工作面隅角抽放系統(tǒng)。隅角抽放布置見(jiàn)圖5.

圖4 抽放鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖5 隅角抽放布置圖

回采期間，根據(jù)工作面推進(jìn)情況，保證隅角抽放管路完好，加強(qiáng)對(duì)隅角抽放管路的巡查工作，保證抽放效果。

3 工程效果

1) 掘進(jìn)期間瓦斯治理效果考察。

在工作面皮帶巷、軌道巷和切眼掘進(jìn)期間，共施工完成23組迎頭順層長(zhǎng)鉆孔，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的每組迎頭順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽效果檢驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定情況來(lái)看，預(yù)抽前瓦斯含量最大為3.922 3 m3/t，反算瓦斯壓力為0.517 MPa，預(yù)抽后實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量最大為3.081 7 m3/t，殘余瓦斯壓力為0.400 MPa，均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

2) 回采期間瓦斯治理效果考察。

通過(guò)對(duì)工作面順層鉆孔的驗(yàn)收資料、所計(jì)算和實(shí)測(cè)的工作面煤層瓦斯基本參數(shù)的綜合分析，煤層殘余瓦斯含量均小于8 m3/t，評(píng)價(jià)單元?dú)堄嗤咚箟毫∮?.74 MPa，可解吸瓦斯量均小于5.5 m3/t(日產(chǎn)量4 001～6 000 t)，符合《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》有關(guān)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 某礦井某工作面采用的掘進(jìn)超前鉆孔、本煤層與采空區(qū)瓦斯抽放、高位鉆場(chǎng)及高位鉆孔抽放和回風(fēng)隅角抽采等措施控制工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

2) 掘進(jìn)超前鉆孔采用迎頭順層長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，并直接測(cè)定煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力進(jìn)行預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域效果檢驗(yàn)，預(yù)抽時(shí)瓦斯含量最大值由3.922 3 m3/t降為3.081 7 m3/t，反算瓦斯壓力由0.517 MPa降為0.400 MPa.

3) 回采期間，預(yù)抽后工作面回采區(qū)域煤層的殘余瓦斯含量最大為3.271 0 m3/t，殘余瓦斯壓力最大為0.263 MPa，可解吸瓦斯量最大為2.323 0 m3/t.

[1] 楊存智.麻家梁礦特厚煤層綜放工作面瓦斯抽采方案優(yōu)化[J].中國(guó)煤炭，2013(1):99-101.

[2] 王海鋒，程遠(yuǎn)平，吳冬梅,等.近距離上保護(hù)層開(kāi)采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010(4):590-594.

[3] 程遠(yuǎn)平,付建華,俞啟香.中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009(2):127-139.

Research and Practice of Comprehensive Gas Control Technology in High Gas Mine

DENG Linfeng

With the extension of mine excavation, the increase of ground stress and gas pressure, the gas content of coal seam is increasing and the gas (including gush and burst out) is becoming more and more serious. Based on the research on deep coal seam in a high gas mine, the research on comprehensive gas control is carried out. The results show that the residual gas concentration is getting less than 8 m3/t, and the residual gas pressure less than 0.74 MPa, during mining with the comprehensive measures being introduced,the measures including excavation before drilling, gas drainage in the current coal seam and goaf area, drilling above the coal seam area and upper level drilling and airway corner extraction. The implementation of the application greatly controlled the gas concentration in the working face.

High-gas mine; Gas extraction; Advanced drilling; High Drilling

2017-01-03

鄧林峰(1986—)，男，江西新干人，2009年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事礦井瓦斯防治工作

(E-mail)denglinfeng86@163.com

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1672-0652(2017)02-0040-04