辛置煤礦109工作面上隅角瓦斯治理

常高峰

(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

隨著我國(guó)礦井開(kāi)采逐漸向深部延伸，采掘機(jī)械化水平的提高、采掘強(qiáng)度的加大，采掘工作面瓦斯超限現(xiàn)象頻發(fā)。其中，以采煤工作面的上隅角尤為突出，不但嚴(yán)重制約了工作面的正常生產(chǎn)，也威脅整個(gè)礦井安全生產(chǎn)[1-4].

1 工作面概況

辛置煤礦3下109綜采工作面是一采區(qū)第17個(gè)工作面，位于一采區(qū)中部。工作面東側(cè)為3下107工作面(已采空)，西側(cè)為31112工作面(未開(kāi)拓)，北側(cè)至分叉區(qū)3下煤一分層防水煤柱，南側(cè)至-300水平膠帶、軌道大巷保護(hù)煤柱。工作面標(biāo)高為-211.02～-248.33 m，走向長(zhǎng)度1 352.8～1 364.2 m. 工作面所處煤層平均厚度為3.5 m，平均傾角為6°. 3下109工作面位置圖見(jiàn)圖1.

圖1 3下109工作面位置圖

3下109工作面所處3下煤層瓦斯原始?jí)毫?.8 MPa，透氣性系數(shù)為0.68 m2/MPa2.d，相對(duì)瓦斯含量為20.78 m3/t，煤塵具有爆炸性。該工作面采用U型全風(fēng)壓通風(fēng)方式，回采期間計(jì)劃配風(fēng)1 520 m3/min.

2 上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懸蛩?/h2>

辛置煤礦3下109綜采工作面上隅角瓦斯?jié)舛仁芏喾N因素影響。上隅角瓦斯主要來(lái)源于本煤層、臨近煤層、采空區(qū)。辛置煤礦3下109綜采工作面在回采過(guò)程中，對(duì)懸露頂板采用預(yù)裂爆破斷頂，工作面周期來(lái)壓時(shí)的擠壓作用不明顯，本煤層瓦斯含量少，鄰近層瓦斯對(duì)工作面上隅角瓦斯影響也小。因此，對(duì)3下109綜采工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊闹饕绊懸蛩貫椴煽諈^(qū)遺煤。3上109工作面位于3下109工作面的正上方，工作面及兩巷位置基本重合。因此，其遺煤的多少及分布情況直接影響3下109工作面上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

研究采空區(qū)遺煤對(duì)工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，可以采用反推的方式，根?jù)采空區(qū)內(nèi)部的條件，推出工作面邊界上隅角瓦斯?fàn)顩r。工作面剛開(kāi)始回采時(shí)，采空區(qū)的面積相對(duì)較小，采空區(qū)內(nèi)遺煤較少，3下109工作面上隅角瓦斯?jié)舛鹊?，沒(méi)有超過(guò)瓦斯?jié)舛仍试S的臨界值，但是隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)的面積越來(lái)越大，遺煤量也不斷增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛壬?，超過(guò)臨界值，威脅工作面的安全生產(chǎn)。但當(dāng)工作面上隅角瓦斯?jié)舛壬叩揭欢ń缦藓笾饾u在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，不再受走向長(zhǎng)度影響。

3 不抽采條件下采空區(qū)瓦斯分布特征數(shù)值模擬

在不抽采條件下對(duì)3下109工作面及采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)進(jìn)行模擬[5-6]，得出采空區(qū)瓦斯分布特征，見(jiàn)圖2(上部為進(jìn)風(fēng)巷，下部為回風(fēng)巷)。

圖2 不抽采條件下采空區(qū)瓦斯分布(z=3 m)特征圖

從圖2可以看出：

1) 工作面采用U型通風(fēng)且不抽采狀態(tài)下，采空區(qū)內(nèi)靠近工作面切眼處由于受漏風(fēng)影響瓦斯?jié)舛容^低，且由于垮落后巖石碎脹系數(shù)不同，會(huì)形成不規(guī)則的空隙區(qū)域Ⅰ，此區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛确植疾痪庑暂^大。

2) 采空區(qū)內(nèi)向著與工作面推進(jìn)相反方向延伸，將逐漸進(jìn)入壓實(shí)區(qū)域Ⅱ，該范圍內(nèi)受漏風(fēng)影響較小，瓦斯?jié)舛戎饾u增大。

3) 工作面進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)與采空區(qū)之間瓦斯?jié)舛仍黾铀俣炔煌仫L(fēng)側(cè)相對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍黾铀俣瓤?，在回風(fēng)巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯積聚區(qū)域Ⅲ，上隅角瓦斯?jié)舛瘸迺?huì)對(duì)回采安全造成極大隱患，在回采過(guò)程中必須進(jìn)行治理。

4 上隅角瓦斯防治措施

4.1 采空區(qū)埋管瓦斯抽采

3下109工作面上隅角附近瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，可以采用采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)內(nèi)的瓦斯。其原理是在埋管口附近形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，讓周?chē)咚瓜蚬軆?nèi)流動(dòng)，以抽出采空區(qū)內(nèi)的瓦斯。

在3下109工作面布置雙埋管，其雙管布置示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 埋管抽采采空區(qū)瓦斯示意圖

由圖3可以看出，在3下109工作面回風(fēng)巷設(shè)置瓦斯抽采管路，布置抽采管時(shí)，間隔30 m設(shè)置1個(gè)三通管件，其目的是預(yù)留采空區(qū)埋管的連接口，以便于安裝閥門(mén)和抽采篩管，而篩管的直徑與3下109工作面帶式輸送機(jī)巷內(nèi)管路管徑相同。當(dāng)工作面回采時(shí)，瓦斯抽采篩管應(yīng)當(dāng)放置在工作面采空區(qū)內(nèi)，通過(guò)井下瓦斯移動(dòng)抽采系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采，降低采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛?，減少工作面上隅角瓦斯。工作面繼續(xù)向前回采，當(dāng)推進(jìn)到下一個(gè)三通接口處，接替埋管口已經(jīng)埋在采空區(qū)內(nèi)3～5 m時(shí)，關(guān)閉上一個(gè)埋管三通接口處的閥門(mén)，打開(kāi)下一個(gè)循環(huán)的埋管口閥門(mén)，以此不斷向前循環(huán)，直至工作面回采完畢，達(dá)到工作面埋管抽放瓦斯的目的。

4.2 高位鉆孔瓦斯抽采

4.2.1鉆孔高度對(duì)抽采效果的影響

在沿工作面傾向相同位置處，設(shè)置不同終孔高度的單一鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，對(duì)通過(guò)鉆孔壁面的瓦斯質(zhì)量流量分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均，可以得出鉆孔抽采瓦斯?jié)舛纫?guī)律，見(jiàn)圖4.

圖4 不同高度鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓€(xiàn)圖

由圖4可知，在單一鉆孔抽采條件下，隨著鉆孔終孔高度的逐漸增加，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，由此可以確定抽采瓦斯?jié)舛扔幸粋€(gè)峰值，對(duì)應(yīng)鉆孔高度為27 m，為3下109工作面采高的6倍。因此，在采用高位鉆孔抽放工作面上隅角瓦斯時(shí)，為了達(dá)到最優(yōu)抽放效果，應(yīng)當(dāng)將鉆孔位置布置在工作面6倍采高處。

4.2.2鉆孔數(shù)量對(duì)抽采效果的影響

鉆孔數(shù)量也是影響高位鉆孔瓦斯抽放效果的一個(gè)重要因素。在3下109工作面鉆孔高度一定的情況下，布置不同數(shù)量的鉆孔，研究鉆孔數(shù)量對(duì)瓦斯抽采的效果，不同數(shù)量鉆孔與瓦斯抽采效果關(guān)系見(jiàn)圖5. 其中，鉆孔的布置高度為工作面采高的6倍，鉆孔布置的數(shù)量為1～5個(gè)，鉆孔水平方向間距為8 m.

圖5 鉆孔抽采效果與鉆孔數(shù)量關(guān)系曲線(xiàn)圖

由圖5可以看出，由于在傾向上不同位置處巖體的孔隙率和滲透性系數(shù)發(fā)生變化，隨著鉆孔在工作面傾向上數(shù)量的增加，鉆孔抽采效果具有如下特征：

1) 由于采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛扔苫仫L(fēng)巷側(cè)向進(jìn)風(fēng)巷側(cè)有逐漸減小趨勢(shì)，因此，在抽采泵能力確定時(shí)，隨鉆孔數(shù)量的增加，低濃度瓦斯抽采量增大，平均瓦斯?jié)舛戎饾u減小。

2) 鉆孔瓦斯抽采混合量逐漸增加，且增長(zhǎng)速度逐漸減小。

3) 受瓦斯抽采量和抽采濃度變化的影響，隨著鉆孔數(shù)量的增加，瓦斯抽采純量具有開(kāi)始時(shí)先急劇增加而后趨于平穩(wěn)的特征。

4.2.3工作面高位鉆孔設(shè)計(jì)

在3下109工作面回風(fēng)巷布置的鉆場(chǎng)內(nèi)向采空區(qū)冒落拱上方的裂隙帶內(nèi)呈扇形施工2個(gè)高位鉆孔，鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 工作面高位鉆孔技術(shù)參數(shù)表

5 效果檢驗(yàn)

3下109工作面采用采空區(qū)埋管瓦斯抽采方法和高位鉆孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，在工作面回采期間對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)不同抽采方式效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表2.

表2 不同瓦斯抽采方法抽采瓦斯效果統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，在3下109工作面采用高位鉆孔抽采瓦斯127天，抽采量297 151 m3；采用采空區(qū)埋管抽采瓦斯98天，抽采量35 741 m3，兩者共抽采瓦斯332 898 m3，抽采效果良好，有效防治了上隅角瓦斯突出。

6 結(jié) 論

1) 分析了上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懸蛩兀鶕?jù)3下109工作面地質(zhì)條件，確定該工作面主要影響因素為采空區(qū)遺煤。

2) 對(duì)不抽采條件下3下109工作面采空區(qū)瓦斯分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在工作面回風(fēng)巷尾部(上隅角附近)存在瓦斯積聚區(qū)域。

3) 對(duì)工作面上隅角瓦斯積聚區(qū)域采用采空區(qū)埋管和高位鉆孔瓦斯抽采方式抽采瓦斯，并進(jìn)行了抽采效果檢驗(yàn)。結(jié)果表明，采用以上措施避免了工作面上隅角區(qū)域瓦斯積聚，保證了安全回采。