司馬礦1206綜采工作面瓦斯治理技術(shù)研究

劉 軍，趙 勇

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.南華大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

在煤礦開采過程中，由于煤層瓦斯賦存地質(zhì)條件的差異，瓦斯在煤層內(nèi)分布不均勻，造成煤層存在壓力異常區(qū)域，當(dāng)煤層受到人為開采影響后，煤體內(nèi)部瓦斯吸附平衡被打破，瓦斯涌向工作面，造成突出現(xiàn)象和工作面瓦斯超限。為消除瓦斯引起的危害，有必要針對具體的工作面情況進行合理的抽采方案設(shè)計，本文以司馬礦1206綜采工作面為背景，設(shè)計瓦斯抽采方案，并檢驗了抽采效果，對同類礦井工作面的抽采設(shè)計有一定的借鑒意義。

1 工作面瓦斯賦存概況

司馬煤礦位于山西沁水煤田長治勘探區(qū)的東部邊緣地段。北以鐵路東側(cè)保安煤柱為界，東為3#煤層露頭線，西鄰高河井田，南與經(jīng)坊煤礦為鄰。煤系地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，含煤地層6～14層，平均總厚162.10m，可采煤層為3#、8-2、9#、14#、15#五個煤層，主采3#煤層。礦井相對瓦斯涌出量為8.86m3/t，礦井絕對瓦斯涌出量為55.91 m3/min，屬高瓦斯礦井。

1206綜采工作面開采3#煤層，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖或粉砂巖，工作面沿走向布置，長度為199.5m，傾斜長1118.6m，底板標(biāo)高+571～+589m，煤層平均厚度為6.62m，煤層瓦斯含量為6.31m3/t，工作面煤炭儲量201萬t。

2 工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

依據(jù)瓦斯涌出量計算規(guī)范，對1206工作面瓦斯涌出量進行預(yù)測，其預(yù)測公式為：

式中，q為工作面瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.3；k2為丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取1.14；L為回采工作面長度，取199.5m；h為掘進巷瓦斯預(yù)排等值寬度，取9m；m為煤層開采厚度，取6.62m；W0為原始瓦斯含量，取6.31m3/t； WC為3#煤層殘余瓦斯含量，經(jīng)計算，絕對瓦斯壓力為0.1MPa時，WC為3.19m3/t。

工作面絕對瓦斯涌出量Q可由式(2)計算：

工作面上部賦存1#、2#煤層，與3#煤層的平均間距hi分別為29.6m、20.65m，煤層平均厚度mi分別為0.16m、0.04m；下部賦存5#、7#煤層，與3#煤層的平均間距hi分別為21.87m、33.32m，煤層平均厚度mi分別為0.11m、0.39m。1#、2#、5#、7#煤層未進行瓦斯含量測定，取3#煤層的瓦斯含量即鄰近層煤層殘存瓦斯含量W0i均為4.7m3/t。結(jié)算結(jié)果見表1。

從表1看出：1206回采工作面以本煤層瓦斯涌出為主，鄰近層瓦斯涌出量較少，采空區(qū)瓦斯占工作面瓦斯涌出總量的50%以上。工作面絕對瓦斯涌出量遠大于5m3/min，按《煤礦安全規(guī)程》要求風(fēng)流最大允許瓦斯?jié)舛葹?%，不均衡系數(shù)取1.2，則需風(fēng)量3280m3/min以上。工作面實際配風(fēng)1860m3/min，供風(fēng)量不能滿足稀釋瓦斯涌出的要求，必須進行瓦斯抽采。

表1 瓦斯涌出量預(yù)測值

3 工作面瓦斯治理技術(shù)

根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯涌出構(gòu)成和巷道布置形式，工作面采用本煤層順層交叉鉆孔預(yù)抽、裂隙帶瓦斯抽采、采空區(qū)埋管相結(jié)合的采中抽采方式對工作面進行瓦斯治理。

3.1 本煤層瓦斯抽采

工作面采用順層交叉鉆孔預(yù)抽瓦斯，孔長122m，鉆徑94mm，孔距為2.5m，上排鉆孔與巷道呈85°，孔高度1.7m，傾角為煤層實測傾角+1.5°；下排鉆孔與巷道呈75°，孔高1.2m，傾角為煤層傾角。兩種角度的鉆孔以雙排三花立體交叉布置，采前預(yù)抽，回采時邊采邊抽，聚氨酯封孔，封孔長度大于8m。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 工作面順層鉆孔布置圖

3.2 裂隙帶抽采

距離輔助回風(fēng)巷底板1.8m處，施工直徑為115 mm、長217m、間距5m的平行鉆孔。鉆孔傾角為13°，且鉆孔水平投影與巷道中心線夾角為45°。為防止打穿輔助回風(fēng)巷與風(fēng)巷聯(lián)通的聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷之間間隔5m布置一個鉆孔。鉆孔開口位置距離聯(lián)絡(luò)巷小于9m時，開口位置布置在聯(lián)絡(luò)巷中。裂隙帶鉆孔布置如圖2所示。

圖2 裂隙帶鉆孔布置

3.3 采空區(qū)抽采

采空區(qū)埋管采用回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)大直徑抽采管，工作面的每個聯(lián)絡(luò)巷串接三通管件支管作為抽采采空區(qū)瓦斯的吸氣口。隨著工作面推進，吸氣口進入采空區(qū)前撤掉三通管件上的法蘭封堵，并安裝閥門和帶孔篩管，打開聯(lián)絡(luò)巷作為工作面回風(fēng)通道，抽采管路管口埋入采空區(qū)5m后開始抽采，同時埋入第二組閥門和帶孔篩管，兩個篩管間距為25m。當(dāng)?shù)诙M篩管埋入采空區(qū)5m后開始抽采，停止第一組篩管抽采，循環(huán)布置直到回采結(jié)束。采空區(qū)抽采管路布置如圖3所示。

圖3 采空區(qū)抽采管路布置示意圖

4 瓦斯治理效果分析

4.1 采前預(yù)抽效果分析

順層交叉鉆孔預(yù)抽過程中，巷道支管內(nèi)平均瓦斯?jié)舛?0.9%，負壓30kPa，平均標(biāo)況下混合氣體流量為23.15m3/min；管道內(nèi)平均純瓦斯流量為2.52m3/min，共計預(yù)抽瓦斯142930m3。根據(jù)《抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》的相關(guān)要求，對1206工作面進行了抽采效果評價。1206工作面鉆孔分布均勻，間距均不大于設(shè)計間距，抽采鉆孔有效控制范圍覆蓋全部回采區(qū)域。預(yù)抽時間差異系數(shù)為24.7%，將所有抽放鉆孔劃分為一個評價單元。工作面長度超過120m，為此在風(fēng)巷和運巷以50m間距布置檢驗鉆孔測定煤層殘余瓦斯含量，抽采后的風(fēng)巷測點殘余瓦斯含量隨開切眼距離變化曲線如圖4所示，運巷測點殘余瓦斯含量隨開切眼距離變化曲線如圖5所示。

圖4 風(fēng)巷測點殘余瓦斯含量變化曲線

圖5 運巷測點殘余瓦斯含量變化曲線

風(fēng)巷側(cè)測點最大殘余瓦斯含量為5.97m3/t，運巷測點最大殘余瓦斯含量為5.95m3/t，可解吸瓦斯含量最大值為3.8128m3/t，工作面設(shè)計生產(chǎn)能力為8637t，最大可解吸瓦斯含量小于《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》中規(guī)定的4.5m3/t的要求。因此，1206工作面預(yù)抽效果達標(biāo)。

4.2 回采抽放效果分析

回采過程中工作面日進尺變化范圍為0.8～8m，平均日進尺為3.4m，日產(chǎn)量范圍為1480～11987t，平均值6060t。生產(chǎn)期間風(fēng)排瓦斯總量隨工作面推進變化如圖6所示。風(fēng)排瓦斯量為0.25～9.71m3/min，平均為4.66m3/min。

圖6 風(fēng)排量隨工作面的變化曲線

隨著工作面推進長度的增大，瓦斯抽采量呈增大趨勢，抽采瓦斯總量變化范圍為0.64～14.68m3/min，平均為6.66m3/min，工作面日抽采瓦斯量變化如圖7所示。其中，采空區(qū)埋管抽采量變化范圍為0.14～11.17m3/min，平均為4.48m3/min，裂隙帶抽采量變化范圍為0.00～3.84m3/min，平均為1.01m3/min，采空區(qū)埋管抽采量占整個抽采量的80%左右，由此說明在工作面回采過程中，采空區(qū)埋管抽采是司馬煤礦進行工作面瓦斯治理的主導(dǎo)技術(shù)措施。根據(jù)上述分析，工作面回采期間的瓦斯抽采率達到58.8%。

圖7 抽采量隨工作面變化曲線

圖8 上隅角瓦斯?jié)舛入S工作面變化曲線

工作面回采期間上隅角、回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓€如圖8、圖9所示。經(jīng)過順層鉆孔預(yù)抽、采中裂隙帶和采空區(qū)埋管抽采后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍谏a(chǎn)期間為0.06%～0.53%，平均值為0.266%，回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛葹?.08%～0.54%，平均值0.35%，兩者均控制在0.6%以下，有效防止了工作面的瓦斯超限事故，保障了工作面的連續(xù)安全生產(chǎn)。

圖9 回風(fēng)瓦斯?jié)舛入S工作面的變化曲線

5 結(jié) 論

1)1206工作面采用本煤層立體交叉布置的順層鉆孔預(yù)抽，回采過程中采用邊采邊抽、裂隙帶鉆孔及采空區(qū)插管抽采相結(jié)合的方式，實施對工作面瓦斯的綜合治理。

2)預(yù)抽后，工作面最大殘余瓦斯含量為5.97m3/t，可解吸瓦斯含量最大為3.8128m3/t，實現(xiàn)了預(yù)抽達標(biāo)。

3)回采過程中工作面平均日進尺為3.4m，平均日產(chǎn)量為6060t，工作面瓦斯抽采率為58.8%，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.53%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲笾?.54%以下，平均濃度0.35%，瓦斯治理效果較好，可為同類礦井瓦斯抽采設(shè)計提供借鑒。