SW1403 超長工作面瓦斯抽采綜合治理技術(shù)

◎倪振族

一、礦井概況

曉南礦是鐵法能源公司最早達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化并保持特優(yōu)級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化的礦井，是全國煤炭工業(yè)一級企業(yè)，全國特級高產(chǎn)高效礦井，是原煤炭部確定的全國15 個現(xiàn)代化樣板礦井之一。

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90 萬t，經(jīng)1988 年至1991 礦井改擴(kuò)建后，核定年生產(chǎn)能力達(dá)到150 萬t，2007 年開始核定年生產(chǎn)能力為 210 萬 t。

礦井開拓方式為立井、主要運(yùn)輸大巷、采區(qū)石門、溜煤眼、上下山開采的開拓方式。礦井現(xiàn)有四個井筒，均為立井，分別是主井、副井、東風(fēng)井、中央風(fēng)井；主井用于提升煤炭、擔(dān)負(fù)二水平北一采區(qū)和二水平北二采區(qū)回風(fēng)；副井主要用于入風(fēng)、運(yùn)送人員、提運(yùn)材料設(shè)備及排水等，東風(fēng)井用于東一采區(qū)及二水平南翼采區(qū)回風(fēng)。

整個礦井劃分為兩個水平開采，分別為一水平和二水平；一水平為現(xiàn)生產(chǎn)水平，水平標(biāo)高為-385 米，三條南北走向的主要大巷布置在巖石中，即運(yùn)輸大巷、皮帶大巷、回風(fēng)大巷。井底車場形式為梭式。回風(fēng)大巷作為礦井及采區(qū)的專用回風(fēng)道貫穿整個井田。主要運(yùn)輸采用膠帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸。開采程序?yàn)橄滦虚_采，推進(jìn)方式為：采區(qū)前進(jìn)式，工作面后退式開采。礦井通風(fēng)方式為中央并列與單翼對角混合式。

二、工作面概況

工作面地表位于曉南礦工業(yè)廣場南部；為平坦耕地，有一條村級公路（曉南礦-張莊）、三條高壓線（曉南礦-張莊29#、30#、曉南礦-西二沙井，產(chǎn)權(quán)：供電部）、三條通訊線路、兩條管路及曉南永安液化氣站。地表標(biāo)高為68.32-75.23m。

SW1403 工作面井下位于南翼采區(qū)西部。南以SW1400 工作面（未開拓）相鄰；北與SW1402 工作面相鄰；東為二水平南翼西皮帶中巷；西部為FW2-5 斷層。工作面運(yùn)順長1084m，一回順長69m，二回順長852m，一切眼長215m，二切眼長146m。面積301847㎡。

地質(zhì)構(gòu)造：工作面總體為一單斜構(gòu)造，煤層傾向294°～308°，傾角3°～8°，平均為6°。開切眼區(qū)域掘進(jìn)期間實(shí)見FW2-5 斷層，參數(shù)：137°∠50°，H=0.80m。

煤質(zhì)情況：本工作面所采煤層為下含煤段14#煤層，煤層厚度1.70～3.65m，平均厚度2.58m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3～8層，夾矸厚度0.05～1.20m，夾矸為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖和火成巖。煤層呈條帶狀，近水平層理，節(jié)理發(fā)育，以亮煤為主，瀝青光澤，不平坦斷口，14#煤為長焰煤，根據(jù)煤質(zhì)化驗(yàn)成果表421 鉆孔的煤質(zhì)化驗(yàn)成果分析，預(yù)計(jì)工作面原煤工業(yè)指標(biāo)為：水份（M/t）6.97%，灰分（Ag）21.27%，揮發(fā)分（V/daf）37.58%，結(jié)合工作面煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果預(yù)計(jì)發(fā)熱量（Qnet，ar）為3104 卡/克。

煤層頂?shù)装澹好簩禹敯?，該工作面煤層頂板由直接頂及基本頂組成。直接頂由泥巖、火成巖和細(xì)砂巖組成，厚度5.4～10m，平均7.71m。基本頂由粗砂巖、細(xì)砂巖、泥巖組成。煤層底板，14#煤層底板為粉砂巖，中砂巖及泥巖，夾粗砂巖。14#煤層下部15-1#煤層，煤厚為0.77m，層間距29-34m，平均為31m。

瓦斯抽采情況：在2019 年瓦斯等級鑒定工作中，礦井絕對瓦斯涌出量為43.06m3/min，相對瓦斯涌出量為12.01m3/t，為高瓦斯礦井。曉南礦主采煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力均小于煤層突出的臨界值。瓦斯以吸附和游離方式賦存在煤層中，14#煤層瓦斯壓力0.45MPa、瓦斯含量4.95m3/t、瓦斯放散初速度8.421mmHg、煤體堅(jiān)固性系數(shù)0.8f，預(yù)計(jì)絕對瓦斯涌出量19.84m3/min；回采期間該工作面最大瓦斯抽采量為28.09m3/min；風(fēng)排瓦斯量為11.1074m3/min；絕對瓦斯涌出量為39.1974m3/min。

三、工作面瓦斯抽采難點(diǎn)及瓦斯來源分析

由于該工作面切眼長度360 米，屬于超長工作面，在回采過程中由于礦壓顯現(xiàn)特征來看，分段來壓現(xiàn)象明顯、采動影響波及范圍廣、老頂初次破斷具有不對稱性、頂板運(yùn)動有沿煤壁切落特征、老頂周期性破斷首先發(fā)生在工作面中部等規(guī)律，這樣導(dǎo)致瓦斯來源大部分在工作面的中部，慢慢向兩側(cè)運(yùn)移，瓦斯分布面積廣，同時(shí)存在不同的瓦斯積聚區(qū)域，隨著采動影響，波及范圍廣，危險(xiǎn)系數(shù)高，初期采用單一短鉆孔不易抽采，同時(shí)頂板冒落裂隙帶的瓦斯向工作面及回風(fēng)隅角方向運(yùn)移導(dǎo)致瓦斯積聚，留有巨大的安全生產(chǎn)隱患，面對諸多瓦斯抽采技術(shù)難題進(jìn)行綜合分析：

1.現(xiàn)場施工的難點(diǎn)問題：

（1）工作面回采期間頂板冒落過程中裂隙帶導(dǎo)致的瓦斯涌出量明顯增加，在回順施工瓦斯抽采鉆場，施工斜交抽采鉆孔，但由于工作面切眼360 米以及鉆機(jī)能力等的原因，導(dǎo)致鉆孔施工工藝以及瓦斯抽采的范圍有一定的局限性，達(dá)不到滿足生產(chǎn)要求的抽采效果，致使工作面在回采期間頻頻瓦斯異常涌出，造成瓦斯超限，帶來巨大的安全隱患的同時(shí)制約著生產(chǎn)。（2）由于單一的抽采管路無法滿足埋管抽采，容易在回采期間回風(fēng)隅角造成瓦斯積聚。（3）沒有建立鄰近采空區(qū)抽采的系統(tǒng)，無法進(jìn)行相鄰采空區(qū)卸壓抽采。

2.本工作面回采期間瓦斯來源：

（1）本層落煤期間解吸瓦斯量為4.13m3/min，約占采面瓦斯涌出量的13.9%。

（2）鄰近層及鄰近采空區(qū)：上鄰近層12#煤平均厚度0.96m距本層15.52m（平均），下鄰近層15-1#煤厚度0.59m，距本層28m（平均）；相鄰采空區(qū)：北部鄰近SW1402 采空區(qū)、南部為SW1401采空區(qū)；約占SW1403 絕對瓦斯涌出量的86.1%（見圖1）。

圖1

四、采用有針對性的綜合抽采技術(shù)

針對上述回采過程中存在的瓦斯抽采難點(diǎn)，以及現(xiàn)場施工工藝存在的問題，同時(shí)結(jié)合瓦斯來源進(jìn)行全面綜合分析，采取針對有效的防范措施，如何能夠保證抽采的最大化，我們采用綜合抽采技術(shù)，進(jìn)行全方位瓦斯抽采。（見圖2）圖中標(biāo)注序號為綜合抽采方法。

圖2

1.在工作面回順抽采鉆場內(nèi)施工斜交鉆孔，同時(shí)補(bǔ)充施工高位鉆場，在高位鉆場內(nèi)施工近水平長鉆孔，使用導(dǎo)正鉆桿，更換大徑鉆頭，同時(shí)增加鉆孔數(shù)量，最大限度的泄壓瓦斯，增加煤層及頂板裂隙帶的透氣性，保證最佳的抽采效果，保證鉆孔接續(xù)。

2.保證鉆孔施工長度同時(shí)，采用增透的方法在下套管過程中增加篩管數(shù)量，根據(jù)回采進(jìn)度，垮落步距的不同，逐段抽采，使得鉆孔的有效期延長，從而提高抽采范圍及鉆孔的抽采率。

3.更換大扭矩鉆機(jī)及引進(jìn)新裝備新設(shè)備，引進(jìn)ZDY3500La型全液壓履帶鉆機(jī)，施工超長鉆孔，斜交鉆孔和水平長鉆孔其終孔點(diǎn)均能控制在工作面三分之二以上。

4.在抽采自動計(jì)量的過程中，根據(jù)鉆孔單孔抽采量及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)，發(fā)現(xiàn)鉆孔抽采量及抽采濃度、透氣性等原因發(fā)生異常變化時(shí)，及時(shí)分析查找原因進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5.施工時(shí)保證鉆孔的精準(zhǔn)度，由于施工鉆孔長度過深的原因，容易導(dǎo)致鉆孔終孔點(diǎn)偏差過大，采用鉆孔測斜儀器及鉆孔深度測量儀進(jìn)行測量，對參數(shù)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，保證鉆孔施工到設(shè)計(jì)的終孔位置，保證有效的抽采。

6.采用鄰近采空區(qū)卸壓抽采方法，在SW1403 回采工作面的回風(fēng)巷接設(shè)一趟管路至SW1402 回順密閉前，進(jìn)行鄰近采空區(qū)卸壓抽采，在抽采過程中定期進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析，隨時(shí)調(diào)整抽采負(fù)壓，此鄰近采空區(qū)抽采卸壓并解決工作面運(yùn)順三分之一區(qū)域處的積存瓦斯，配合超長鉆孔及水平長鉆孔抽采使得抽采網(wǎng)絡(luò)覆蓋全斷面。

7.工作面回風(fēng)隅角埋管抽采，在回順另接設(shè)一趟400 管路，該管路抽采量大，同時(shí)使用自主研發(fā)的埋管機(jī)關(guān)三通（見圖4），瓦斯觀測人員記錄最佳抽采范圍和時(shí)間，人工調(diào)整最優(yōu)抽采距離，保證采空區(qū)回風(fēng)隅角瓦斯積聚區(qū)域的不間斷抽采。

圖4

五、安設(shè)瓦斯抽采系統(tǒng)自動計(jì)量裝置

瓦斯抽采自動計(jì)量，能夠?qū)崟r(shí)反映瓦斯抽采情況，為抽采量提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)瓦斯自動計(jì)量是瓦斯抽采管理中最重要的一環(huán)，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，井下適應(yīng)性強(qiáng)，通過對瓦斯抽采現(xiàn)場使用情況的考證，明確其具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性，為瓦斯抽采自動計(jì)量提供可靠的數(shù)據(jù)支持，具有一定的應(yīng)用推廣意義。

在SW1403 回采工作面回風(fēng)道主干管路安設(shè)兩套自動計(jì)量裝置，即高濃、低濃管路主干管路計(jì)量裝置，在回順抽采鉆場及高位鉆場安設(shè)分支抽采自動計(jì)量裝置，實(shí)行全方位的瓦斯抽采監(jiān)測監(jiān)控，對發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)提出有效的應(yīng)對措施，根據(jù)甲烷濃度和抽采量調(diào)整鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)及施工數(shù)量，根據(jù)一氧化碳的濃度組織相應(yīng)的防滅火工作，根據(jù)管路的壓力傳感器的數(shù)值顯示，對表現(xiàn)出來的問題做出最快的應(yīng)對措施，調(diào)整負(fù)壓，排查管路，以保證抽采量的最大化。

六、自制研發(fā)新型多功能負(fù)壓氣水分離器

在瓦斯抽采的過程中，水和煤渣一起隨著瓦斯抽采支管路進(jìn)入主管路，造成主管路含水及堵塞，減少管路通過瓦斯的截面積，影響瓦斯的抽采效果：

1.不利于工作面瓦斯管理，瓦斯抽采效率低，容易造成工作面及回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛壬撸瑢?dǎo)致瓦斯積聚，給安全工作帶來巨大隱患。

2.由于管路積水及除渣工作導(dǎo)致維護(hù)工作量大，需要斷口放水及定期清理管路內(nèi)的煤渣，操作工程及其復(fù)雜，嚴(yán)重影響各類鉆孔抽采，給瓦斯抽采工作帶來不便。

針對該情況，自制研發(fā)并多次試驗(yàn)，制作了一套多功能負(fù)壓氣水分離器。該裝置有鐵板焊接而成，將抽采的瓦斯、水和煤渣首先進(jìn)入該裝置，煤渣和水存放在該裝置內(nèi)，瓦斯從該裝置上端的出口直接進(jìn)入瓦斯抽采主管路，煤渣沉積在該裝置底部，水通過該裝置內(nèi)的自動排放裝置定期排放到附近的水窩子里。需要清理煤渣時(shí)，將主管路和該裝置連接的閥門關(guān)閉，清理出煤渣后，打開閥門，恢復(fù)干、支管路瓦斯抽采，該裝置在SW1403 回順2 個正在抽采的鉆場投入使用，使用效果良好（見圖3）。

圖3

七、采用綜合抽采技術(shù)后的瓦斯對比曲線圖

在未使用綜合抽采技術(shù)前，工作面以及回風(fēng)隅角的瓦斯情況不容樂觀，在對該工作面使用綜合抽采技術(shù)后，效果顯著（見圖5）

圖5

八、結(jié)束語

曉南礦在回采SW1403 超長工作面為保證回采安全，針對發(fā)現(xiàn)的瓦斯抽采問題進(jìn)行多種方面綜合研究，有針對性的采用綜合抽采的方式以及注重抽采細(xì)節(jié)工作解決現(xiàn)場的瓦斯抽采難點(diǎn)問題，從分析瓦斯的來源到現(xiàn)場實(shí)施組織，采用更換設(shè)備、設(shè)施、采用新工藝，安設(shè)抽采自動計(jì)量裝置，走在創(chuàng)新的前沿，合理組織各項(xiàng)工程的良好銜接，保證全覆蓋全斷面無死角的進(jìn)行瓦斯抽采，保證安全回采。