急傾斜復合煤層采煤工作面瓦斯治理技術(shù)實踐

王 俊

(四川華鎣山廣能(集團)有限責任公司，四川省廣安市,638607)

李子埡煤礦1978年建成投產(chǎn)，屬煤與瓦斯突出礦井。隨著礦井開采范圍不斷向井田邊界和深部延伸，瓦斯地質(zhì)災害日益升級，特別是鄰近井田李子埡向斜、龍王洞背斜軸部區(qū)域，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，煤層傾角一般在1°～60°以上，主采的K1煤層有分叉合并現(xiàn)象，且中間夾矸薄化為復合煤層，煤層賦存條件差。區(qū)域內(nèi)的煤層瓦斯含量在5.5488～10.3387 m3/t，瓦斯壓力值在1.08～5.88 MPa，瓦斯含量大、突出危險性高，給礦井瓦斯治理帶來極大困難。

1 工作面慨況

5102南工作面位于李子埡向斜軸部以東，工作面傾向長度130 m，走向長度784 m，地質(zhì)儲量23.6萬t。工作面前40 m煤層傾角為1°～8°左右，后90 m為8°～46°煤層傾角陡然變化的急變煤層，采面煤層結(jié)構(gòu)大致呈L型。工作面回采的K1煤層厚度1.31～2.09 m，平均厚度為1.57 m，中間夾矸平均厚度0.72 m，局部地段夾矸厚度變薄為復合煤層。工作面煤層瓦斯含量為7.3132 m3/t，瓦斯壓力為1.124 MPa。5102南工作面煤層剖面圖見圖1。

圖1 5102南工作面煤層剖面圖

2 急傾斜復合煤層瓦斯治理的難點分析

(1)抽采巷道高幫高度較大。急傾斜煤層段瓦斯抽采巷道若按照以往的矩形斷面設(shè)計，當煤層傾角達到45°以上時，巷道高幫高度就將達到5.2 m以上，在施工瓦斯抽采鉆孔時既影響鉆機調(diào)整傾角和搬遷又不利于頂板管理。

(2)預抽煤層瓦斯難度較大。工作面預抽煤層為復合型煤層，煤層及中間夾矸層厚度均較薄，若按照常規(guī)施工單排瓦斯抽放鉆孔，很難判斷煤巖層位，易出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)，且瓦斯抽采率只有25%左右，抽采效果不理想。

(3)瓦斯抽采裝備水平較低。急傾斜煤層段施工的大俯角鉆孔長度較大，現(xiàn)使用的ZDY-3200型鉆機由于性能較低，在施鉆時經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、丟鉆、排渣困難等問題，造成鉆孔達不到設(shè)計深度，影響鉆孔施工質(zhì)量。

3 急傾斜復合煤層采煤工作面瓦斯治理實踐

3.1 抽采巷道優(yōu)化設(shè)計

通過分析急傾斜復合煤層傾角及圍巖特征，急傾斜煤層段瓦斯抽采巷道設(shè)計采用了異形斷面和錨網(wǎng)索配合特制異形錨梁聯(lián)合支護。該巷道設(shè)計下寬3.5 m，上寬分別為2.75 m、2 m，東幫垂直段高2.1 m，西幫高1.8 m，巷道中心高度3.5 m，凈斷面積為9.5 m2。頂板支護布置4根?20 mm×2500 mm的樹脂錨桿，正中布置一根?15.24 mm×7300 mm錨索，東幫(垂直段)及西幫均各布置3根?20 mm×2000 mm的全螺紋右旋樹脂錨桿，東幫(傾斜段)采取錨桿、錨索配合異形錨梁支護，布置1根?20 mm×2500 mm的樹脂錨桿、2根?15.24 mm×4300 mm錨索。鉆機可在設(shè)計的瓦斯抽采巷道內(nèi)正常移行搬遷，適時調(diào)整鉆孔傾角并穩(wěn)固鉆機，滿足機身施工-45°大俯角鉆孔施工的空間要求和作業(yè)安全。急傾斜煤層段瓦斯抽采巷道優(yōu)化設(shè)計斷面圖見圖2。

圖2 急傾斜煤層段瓦斯抽采巷道優(yōu)化設(shè)計斷面圖

3.2 預抽煤層瓦斯方法

根據(jù)工作面預抽煤層瓦斯地質(zhì)情況，確定采用上下雙排順層鉆孔的強化預抽煤層瓦斯方法。即工作面前40 m近水平和緩傾斜段煤層在機巷施工雙排平行鉆孔，設(shè)計深度40 m，傾角3°～9°；后90 m傾斜和急傾斜段煤層在風巷施工雙排大俯角鉆孔，鉆孔設(shè)計深度100 m，傾角為-32°～-45°。鉆孔布置形式為三花眼，上排孔開孔高度為1.2～2.2 m，下排孔開孔高度0～0.67 m，鉆孔間距1 m，上下孔交錯0.5 m，鉆孔直徑94 mm，封孔深度不少于10 m，機、風巷終孔交錯不大于5 m，鉆孔控制回采巷道外側(cè)確定為不少于10 m，局部地質(zhì)構(gòu)造段采取補孔措施，使瓦斯抽采鉆孔控制整個回采區(qū)域的預抽煤層。瓦斯抽采鉆孔布置如圖3所示。

圖3 瓦斯抽采鉆孔布置圖

3.3 抽采設(shè)備主要配置

(1)鉆機。瓦斯抽采鉆孔選用ZDY4000S型大功率全液壓鉆機施工，該鉆機具有搬遷方便、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、扭矩、給進起撥力大、穩(wěn)固性高等特點，其鉆機主機結(jié)構(gòu)以機架、回轉(zhuǎn)器、夾持器、給進裝置等組成，能夠適應急傾斜復合煤層大俯角鉆孔施工的復雜地質(zhì)條件。ZDY4000S型大功率全液壓鉆機主機如圖4所示。ZDY4000S大功率全液壓鉆機主要技術(shù)參數(shù)：鉆孔深度350 m/(150～200)常規(guī)鉆進；鉆桿直徑94 mm；最大轉(zhuǎn)矩為4000 N·m；回轉(zhuǎn)器主軸最大轉(zhuǎn)速r為280 r/min；最大給進力、起拔力為150 kN；給進行程780 mm；機身傾角-45°～+45°；功率55 kW，主機外形尺寸為2.38 m×1.30 m×1.52 m(長×寬×高)，適應巷道高度大于2.5 m。

(2)鉆具。ZDY4000S型大功率全液壓鉆機配置了強度大、排粉效果好、處理孔內(nèi)事故能力強的?94 mm寬葉片螺旋鉆桿和?94 mmPDC加強型復合鉆頭，可有效克服急傾斜復合煤層大俯角鉆孔施工存在的排渣困難、返風不暢通等施工難題。寬葉片螺旋鉆桿如圖5所示。

1—回轉(zhuǎn)器；2—給進裝置；3—機架；4—夾持器圖4 ZDY4000S型大功率全液壓鉆機主機圖

(3)壓風設(shè)備。根據(jù)ZDY4000S型大功率全液壓鉆機耗風量，并按照工作面機、風巷分別使用2臺鉆機施工瓦斯抽采鉆孔，實際供風量計算：

Q=α·β·γ·∑(n·q·k)

式中：α——管路漏氣系數(shù)，取1.15；

β——機械磨損增加的系數(shù)，取1.10～1.15；

γ——海拔高度修正系數(shù)，差表取1.0；

n——使用的同型號起動機具的臺數(shù)；

q——機具的耗氣量；

k——同型號起動機具的同時工作系數(shù)，一般取0.98。

將相關(guān)數(shù)值代入式(1)得13 m3/min。

工作面確定選用MLGF-20/8-132G型礦用螺桿式移動空氣壓縮機，該空壓機供風量為20 m3/min，排氣壓力0.7 MPa，選用2臺空壓機分別向機巷和風巷單獨進行供風，保證鉆機同步施鉆有足夠的供風量。

3.4 施鉆關(guān)鍵技術(shù)要點

(1)ZDY-4000S型大功率全液壓鉆機在鉆進過程中要隨時觀察給進壓力變化，壓力一般控制在8～10 MPa，在正常鉆進時，在同一層位給進壓力應是平穩(wěn)的，當在施工煤巖換層時，給進壓力會突然升高，這時必須采取降壓措施。主要措施有以下兩種：一是停止向前鉆進，加大壓風排渣；二是退鉆旋轉(zhuǎn)排渣后再鉆進，給進壓力才能下降。

(2)在施工大俯角鉆孔時掌握好鉆進速度是保證正常鉆進的重要環(huán)節(jié)，通過降低鉆進速度，可充分排除孔內(nèi)鉆屑，減少孔內(nèi)沉渣，起到降低給進壓力的作用。ZDY-4000S型大功率液壓鉆機高速擋位為5～280 r/min，在正常情況下一般轉(zhuǎn)速控制在100～120 r/min，當降低轉(zhuǎn)速后，可起到延長排渣時間的作用。

(3)在鉆孔向煤體深部鉆進時，由于排渣距離不斷增長，排渣阻力不斷加大，滯留在孔內(nèi)的沉渣也就越多，鉆桿與孔壁之間的間隙也就越小，排渣也就越難。當發(fā)現(xiàn)孔口排渣受阻或風量減小時，只要出現(xiàn)孔內(nèi)排出的渣量減少時，不能蠻進，必須停止鉆進，使鉆桿來回運動進行掏孔，反復操作，直到孔內(nèi)積渣排盡后再鉆進。

4 實施效果

通過項目實施，5102南工作面共施工1855個順層鉆孔，鉆孔總進尺124047.5 m，鉆孔深度均達到設(shè)計要求，未出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)。施工的瓦斯抽放鉆孔累計抽放瓦斯純量114.3萬m3，瓦斯抽采率從原來的25%提高到66%，同時利用瓦斯發(fā)電為企業(yè)創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益200余萬元。工作面在回采期間，未發(fā)生瓦斯超限和煤與瓦斯突出事故，順利實現(xiàn)了工作面瓦斯抽采達標和安全回采。

5 結(jié)論

(1)通過分析急傾斜復合煤層傾角及圍巖特征，優(yōu)化設(shè)計了急傾斜復合煤層段瓦斯抽采巷道，大大降低了巷道高幫高度，滿足了鉆機適時調(diào)整機身傾角、穩(wěn)固鉆機的需要，為急傾斜復合煤層施工大俯角鉆孔創(chuàng)造了有利條件。

(2)通過分析工作面瓦斯地質(zhì)資料，合理確定了工作面上下雙排順層鉆孔預抽煤層瓦斯的方法，保證了鉆孔控制到整個工作面回采區(qū)域，進一步提高了瓦斯抽放效果，為急傾斜復合煤層采煤工作面安全回采提供了可靠保障。

(3)通過合理選用瓦斯抽采設(shè)備設(shè)施，有效解決了急傾斜復合煤層大俯角鉆孔施工的各種技術(shù)難題，保證了鉆孔施工深度和質(zhì)量， 提高了礦井瓦斯抽采技術(shù)水平，為治理類似煤層瓦斯積累了寶貴經(jīng)驗。