基于綜采工作面通風(fēng)方式的高位鉆孔優(yōu)化布置及效果分析

吉振光

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦)

綜采工作面在取消尾巷通風(fēng)后，工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯治理變得尤為重要，目前解決辦法主要有采空區(qū)閉墻埋管和高位鉆孔抽放瓦斯，抑制采空區(qū)瓦斯涌出。但是不同的通風(fēng)方式導(dǎo)致的采空區(qū)瓦斯流場不同，對于高位鉆孔的布置也提出了不同的要求，部分高位鉆孔雖然能夠抽放冒落帶和裂隙帶中瓦斯，但是對于綜采工作面的瓦斯治理起不到應(yīng)有的作用[1]。

針對部分高位鉆孔抽放效果差，綜采工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯涌出量大的問題，以寺河礦5309U型通風(fēng)工作面為基礎(chǔ)，結(jié)合W2302(中段)尾部通風(fēng)工作面上隅角和架間瓦斯異常涌出的情況，對于高位鉆孔的布置進(jìn)行變更和優(yōu)化，以期改善抽放效果。

1 工作面概況

寺河礦是煤與瓦斯突出礦井，開采3#煤層，礦井東井區(qū)絕對瓦斯涌出量為970.59 m3/min，相對瓦斯涌出量為116.92 t/min；西井區(qū)絕對瓦斯涌出量為970.59 m3/min，相對瓦斯涌出量為116.92 t/min；煤層屬于Ⅲ類，不易自燃。

5309工作面煤層地面標(biāo)高為+576～+659 m，工作面傾向長301.5 m，走向長972.9 m。煤層平均厚5.9 m，偽頂為0.7 m厚炭質(zhì)泥巖，直接頂為1.12 m 厚粉砂質(zhì)泥巖，老頂為6.23 m厚細(xì)粒砂巖。工作面采用“三進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式，見圖1。

圖1 5309工作面通風(fēng)方式示意

W2302工作面地面標(biāo)高為+629.5～+768.4 m，工作面傾向長295.3 m，走向長904.23 m。煤層平均厚6.3 m，偽頂為0.4 m厚泥巖，直接頂為2.15 m厚砂質(zhì)泥巖，老頂為6.50 m厚細(xì)粒砂巖。工作面采用“三進(jìn)一回”尾部通風(fēng)方式，見圖2。

2 綜采工作面高位瓦斯抽采現(xiàn)狀

綜采工作面上隅角和采空區(qū)瓦斯處理主要通過閉墻埋管和高位鉆孔采空區(qū)抽放，其中采空區(qū)埋管抽放是在已封閉巷道閉墻上部預(yù)埋PE377瓦斯管路，利用大流量抽放采空區(qū)瓦斯，同時(shí)配合上隅角提前布置的抽排風(fēng)筒，抽放上隅角附近的局部瓦斯，見圖3。但是采空區(qū)閉墻埋管抽放受工作面漏風(fēng)影響，抽放濃度較低，抽放量較小，當(dāng)煤體瓦斯含量較大時(shí)，工作面瓦斯治理受到了很大限制。

圖2 W2302工作面通風(fēng)方式示意

圖3 采空區(qū)閉墻埋管抽放示意

為了從根本上解決采空區(qū)瓦斯的問題，利用巷道內(nèi)鉆場，在工作面回采之前，采用千米鉆機(jī)以大傾角上仰開孔鉆進(jìn)至煤層頂板，使鉆孔進(jìn)入工作面回采后的采空區(qū)O型圈內(nèi)裂隙帶并沿其延伸；由于施工鉆孔長，且主要孔段均在O型圈裂隙帶內(nèi)延伸，鉆孔可長期穩(wěn)定存在，以工作面回采時(shí)采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道能夠有效抽采工作面煤壁釋放的瓦斯，從而實(shí)現(xiàn)工作面上頂板裂隙和采空區(qū)瓦斯區(qū)域抽采。根據(jù)工作面現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工作面采動(dòng)覆巖“三帶”分布特征[2]，確定高位鉆孔的布置層位為工作面采高的6～8倍，即鉆孔距離煤層頂板30～48 m層位，見圖4。

3 綜采工作面通風(fēng)方式對高位鉆孔布置方式抽放效果分析

5309工作面采用“三進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式，工作面回風(fēng)流和工作面推進(jìn)方向一致，而W2302工作面采用“三進(jìn)一回”尾部通風(fēng)方式，工作面回風(fēng)流和工作面推進(jìn)方向相反，2個(gè)工作面在回采初期的高位鉆孔布置均是在工作面回采前利用千米鉆機(jī)提前施工，鉆孔布置層位為工作面采高的6～8倍。但是在工作面回采過程，高位鉆孔的抽放量相差較大，同時(shí)W2302工作面風(fēng)流瓦斯也出現(xiàn)了較大波動(dòng)，對比結(jié)果見表1。

圖4 綜采工作面高位鉆孔布置方式

表1 高位鉆孔抽放量及工作面風(fēng)流瓦斯對比

由表1可以看出，5309工作面高位鉆孔瓦斯抽放量是W2302高位鉆孔抽放量的2.5倍左右，工作面風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛容^W2302工作面減少0.2個(gè)百分點(diǎn)左右，5309工作面高位鉆孔抽放效果比W2302工作面抽放效果好。

由于5309工作面回風(fēng)流方向和工作面推進(jìn)方向一致，W2302工作面回風(fēng)流方向與工作推進(jìn)方向相反。由于通風(fēng)方式的不同，對采空區(qū)瓦斯流場產(chǎn)生了較大影響，通過利用FLUENT數(shù)值軟件模擬2種通風(fēng)方式的采空區(qū)瓦斯流場分布[3]，5309工作面上隅角以里采空區(qū)高濃度瓦斯分布較W2302工作面更加靠前，且在回風(fēng)隅角側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬^高。

根據(jù)上述分析可知，在5309工作面閉墻埋管負(fù)壓抽放所形成的瓦斯流場區(qū)域與高位鉆孔抽放所形成負(fù)壓區(qū)域是一致的，更有利于采空區(qū)瓦斯的集中抽放；而W2302工作面剛好相反，閉墻抽放所形成的瓦斯流場是趨向于回風(fēng)流流動(dòng)的方向，高位鉆孔形成負(fù)壓場和回風(fēng)流流動(dòng)的方向相反，采空區(qū)的高濃度瓦斯更加靠近采空區(qū)深部，由于千米鉆機(jī)施工的高位鉆孔布置在采空區(qū)裂隙帶中，高位鉆孔的完整性在工作面回采過后不能長時(shí)間保存，無法抽放采空區(qū)深部瓦斯，因此，尾部通風(fēng)綜采工作面采用上述高位鉆孔布置方式，其抽放效果較U通風(fēng)方式工作面較差，需對尾部通風(fēng)方式進(jìn)行優(yōu)化。

4 尾部通風(fēng)綜采工作面鉆孔優(yōu)化及效果分析

通過對W2302工作面尾部通風(fēng)方式進(jìn)行采空區(qū)瓦斯流場分析，結(jié)合原有的超前千米高位鉆孔布置，在W23024巷回風(fēng)側(cè)距離通風(fēng)橫川100 m位置利用普通鉆機(jī)施工一組高位鉆孔，高位鉆孔布置層位在25～40 m，共施工6個(gè)孔，W2302尾部通風(fēng)工作面高位鉆孔布置和部分鉆孔設(shè)計(jì)見圖5、圖6。

圖5 W2302尾部通風(fēng)工作面高位鉆孔布置

在普通鉆機(jī)高位鉆孔施工完畢后，對優(yōu)化后的鉆孔瓦斯抽放量進(jìn)行測定，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯瑑?yōu)化后的高位鉆孔瓦斯抽放量和抽放濃度較高，超前施工千米鉆機(jī)高位鉆孔瓦斯抽放量較前期有所下降，但高位鉆孔總抽放量明顯提升，達(dá)到25.08 m3/min；同時(shí)對各個(gè)鉆孔層位比較，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后鉆孔層位布置在頂板以上35 m時(shí)抽放效果最佳。

圖6 優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)(單位：m)

表2 W2302工作面優(yōu)化鉆孔施工后抽放量情況表

注：2#鉆孔堵孔。

W2302工作面優(yōu)化鉆孔施工完畢后，工作面在生產(chǎn)過程中瓦斯?jié)舛群屯咚钩榉帕堪l(fā)生較大變化，見表3。通過對比發(fā)現(xiàn)，W2302工作面高位鉆孔的平均抽放量由原來的8.02 m3/min提升至24.72 m3/min，抽放量提升了2倍；工作面風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.58%降低至0.42%，降低27個(gè)百分點(diǎn)，瓦斯治理能力得到了很大提升。

表3 W2302工作面優(yōu)化前后鉆孔抽放量及風(fēng)流瓦斯對比

5 結(jié) 論

(1)通過對W2302尾部通風(fēng)工作面和5309U型通風(fēng)工作面比較可以看出，超前施工千米鉆機(jī)高位鉆孔對于尾部通風(fēng)綜采工作面抽放效果較差，抽放量較低。

(2)在W23024巷采用普通鉆機(jī)施工優(yōu)化高位鉆孔后，工作面的高位鉆孔的平均抽放量提升了2倍，達(dá)到24.72 m3/min，工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档土?7個(gè)百分點(diǎn)，平均瓦斯?jié)舛葹?.42%，抽放效果明顯。

(3)優(yōu)化鉆孔布置層位在頂板以上35 m左右抽放量最大，單孔瓦斯抽放量達(dá)到9.18 m3/min,更有利于解決尾部通風(fēng)方式采空區(qū)瓦斯涌出。

[1] 黃 濤，黃光利.特厚煤層綜放工作面高位鉆孔的優(yōu)化布置及效果分析[J].煤炭工程，2017,42(S2)：62-64,68.

[2] 李 朝，翟艷鵬.高瓦斯煤層群首采層“Y”型通風(fēng)瓦斯抽采技術(shù)[J].煤礦安全，2017(2)：77-80.

[3] 董鋼鋒，鄒銀輝，王 振，等.尾巷對采空區(qū)瓦斯流暢影響的數(shù)值模擬[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012(5)：19-21.