突出煤層綜放工作面高位抽采巷抽采瓦斯應(yīng)用研究

馬樂(lè)輝 李 鋒 王雨生

(河南能源焦煤公司九里山礦，河南省焦作市，454100)

綜采放頂煤工藝具有單產(chǎn)高、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地提高礦井的生產(chǎn)效率，但由于綜放工作面高強(qiáng)度開(kāi)采，造成工作面瓦斯集中涌出，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)綜采工作面上隅角瓦斯問(wèn)題研究較多，埋管抽采、插管抽采、高位鉆孔抽采和高位抽采巷抽采等方法也取得了一定的效果。但針對(duì)高瓦斯含量、高瓦斯壓力煤層綜采放頂煤工作面上隅角瓦斯問(wèn)題的研究相對(duì)較少。為了解決這一問(wèn)題，九里山礦嘗試采用在綜放工作面頂板裂隙帶布置抽采巷抽采采空區(qū)瓦斯，以防止工作面瓦斯集中，從而在根源上解決上隅角瓦斯問(wèn)題。

1 工作面概況

九里山礦屬于煤與瓦斯突出礦井，核定生產(chǎn)能力100萬(wàn)t/a，可采煤層為二疊系山西組二1煤層，為優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，煤層不易自燃。15081回采工作面走向長(zhǎng)度448 m，傾向長(zhǎng)度172 m，平均煤厚4.9 m，平均煤層傾角12°；該工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法、綜采放頂煤工藝、全部垮落法管理頂板。

15081工作面采用上行全風(fēng)壓獨(dú)立U型通風(fēng)方式，設(shè)計(jì)配風(fēng)量1500 m3/min?！毒爬锷降V15081工作面瓦斯抽采評(píng)判報(bào)告》顯示，15081工作面煤層原始瓦斯含量為31 m3/t，煤層瓦斯壓力為1.74 MPa。經(jīng)過(guò)區(qū)域治理后，實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量最大值為5.52 m3/t，平均值為4.68 m3/t，實(shí)測(cè)殘余瓦斯壓力最大值為0.1 MPa，判定區(qū)域措施效果檢驗(yàn)合格。雖然消除了工作面突出危險(xiǎn)性，但按計(jì)劃回采日產(chǎn)量2500 t和設(shè)計(jì)配風(fēng)量1500 m3/min兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，可間接估算出該工作面絕對(duì)瓦斯涌出量將達(dá)到9.58 m3/min，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葘⑦_(dá)到0.63%以上。顯然，瓦斯問(wèn)題將給工作面的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。

2 高位抽采巷施工關(guān)鍵技術(shù)

高位抽采巷是在采煤工作面的頂板裂隙帶內(nèi)布置的一條瓦斯治理專(zhuān)用巷道。通過(guò)連接瓦斯抽采系統(tǒng)，使采煤工作面采空區(qū)上方形成負(fù)壓區(qū)，從而改變采空區(qū)瓦斯移動(dòng)規(guī)律，有效消除采煤工作面上隅角的瓦斯積聚，降低采煤工作面回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛?，確保高突礦井綜放工作面的安全高效生產(chǎn)。

2.1 空間位置選擇

根據(jù)礦山壓力規(guī)律研究，煤層開(kāi)采后，采空區(qū)周?chē)膸r層由于受到采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響，在垂直方向上，上覆煤巖層垮落、破裂和下沉彎曲，形成采空區(qū)“三帶”；而在水平方向上會(huì)形成煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)，形成采空區(qū)“O”型圈。根據(jù)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律和瓦斯流動(dòng)規(guī)律，頂板裂隙帶的下部裂隙發(fā)育充分，是采空區(qū)瓦斯的主要聚集區(qū)，具有瓦斯含量高、濃度大的特點(diǎn)，是抽采瓦斯的最佳層位。因此在高位抽采巷的層位選擇時(shí)，在垂直方向上要超過(guò)冒落帶一定的保險(xiǎn)高度，確保工作面回采后高位抽采巷不會(huì)很快破壞；在水平方向上要布置在采空區(qū)“O”型圈周邊寬度34 m的范圍內(nèi)。

高位抽采巷的層位高度的理論高度Hz可采用下式計(jì)算：

(1)

式中：h——一次采煤高度，取4.9 m；

k——冒落巖石的平均碎脹系數(shù)，取1.25；

α——煤層平均傾角，取12°；

ΔHm——防止高位抽采巷破壞的保險(xiǎn)高度，取1倍采高，4.9 m。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)得：Hz=24.9 m。

九里山礦15081工作面地質(zhì)綜合柱狀圖見(jiàn)圖1。由圖1及其他工作面高位抽采鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)可以得出本次高位抽采巷布置在距煤層頂板25 m，其平面位置位于回風(fēng)巷下側(cè)20 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度延伸至工作面初次來(lái)壓區(qū)域。高位抽采巷布置剖面圖見(jiàn)圖2。

2.2 斷面選擇及支護(hù)形式

根據(jù)圖1可知，15081工作面設(shè)計(jì)的高位抽采巷位于煤層頂板的大占砂巖層位中，層位相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)兼顧掘進(jìn)效率和施工成本，本次巷道斷面選擇直墻半圓拱型，凈寬3.0 m，凈高2.5 m。直墻以上部分支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴支護(hù)，錨桿選用?18 mm×1800 mm普通錨桿，間排距為0.9 m×0.9 m，噴漿厚度50 mm；直墻以下部分不進(jìn)行支護(hù)。

由于高位抽采巷布置在采空區(qū)冒落帶以上裂隙帶下部，因此隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)老頂冒落一段時(shí)間后，高位抽采巷也勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)破壞垮落現(xiàn)象，支護(hù)后的半圓拱斷面為瓦斯抽采提供了較大的貯存空間；直墻以下巷幫不支護(hù)更易于裂隙的形成，為采空區(qū)瓦斯移動(dòng)提供更為順暢的通道。同時(shí)為了防止巷道垮落時(shí)錨桿與托盤(pán)之間產(chǎn)生摩擦火花，點(diǎn)燃高位抽采巷內(nèi)的高濃度瓦斯，要求在施工錨桿時(shí)，錨桿托盤(pán)與巖壁間墊250 mm×250 mm的舊皮帶進(jìn)行隔離，從而有效杜絕了高位抽采巷在垮落過(guò)程中錨桿和托盤(pán)與巖石發(fā)生碰撞形成火花造成的瓦斯爆炸事故。

在高位抽采巷巷口以里10 m處需要設(shè)置兩道抗沖密閉墻。密閉墻墻體厚度3 m，要求掏槽深度不低于0.3 m，墻體上部預(yù)埋兩根?250 mm的瓦斯抽采管，便于連接瓦斯抽采系統(tǒng)；底部設(shè)計(jì)反水池，防止巷道積水；兩道抗沖密閉墻間隔3 m，墻體之間用黃土充填密實(shí)?？箾_密閉墻是隔離高位抽采巷內(nèi)高濃度瓦斯爆炸的重要屏障，而黃土充填可以起到防止抽采漏氣和緩沖瓦斯爆炸沖擊波的作用。

圖1 高位抽采巷布置巖層層位柱狀圖

圖2 高位抽采巷布置剖面圖

3 應(yīng)用情況及效果考察

為了判斷高位抽采巷在綜放工作面回采過(guò)程中瓦斯治理的實(shí)際效果，通過(guò)甲烷傳感器監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛龋煌ㄟ^(guò)管道瓦斯氣體綜合參數(shù)測(cè)定儀監(jiān)測(cè)抽放管路中甲烷濃度、負(fù)壓、抽采純瓦斯量的變化；通過(guò)風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷風(fēng)量變化，間接計(jì)算出風(fēng)排瓦斯量；同時(shí)通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)記錄回采推進(jìn)度和日產(chǎn)量。工作面回采開(kāi)始后，每15 d選取一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

15081工作面于2018年7月20日開(kāi)始回采，高位抽采巷抽采管路打開(kāi)并保持30 kPa左右負(fù)壓，截至2018年12月20日，工作面已推進(jìn)278 m，回采原煤38.1萬(wàn)t。在回采期間通風(fēng)排放瓦斯952311.2 m3，高位抽采巷抽采瓦斯485805.6 m3，抽采純瓦斯量占總瓦斯量的33.8%。工作面日產(chǎn)量與高位抽采巷抽采瓦斯量、風(fēng)排瓦斯量、總瓦斯量關(guān)系如圖3所示，工作面推進(jìn)距離與高位抽采巷抽采瓦斯量關(guān)系如圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，工作面總瓦斯量基本穩(wěn)定在6～7 m3/min之間，高位抽采巷抽采量和風(fēng)排瓦斯量成反比關(guān)系，即高位抽采巷抽采量增大，風(fēng)排瓦斯量減少；工作面高位抽采巷的瓦斯抽采量在工作面推進(jìn)40 m開(kāi)始明顯增加，推進(jìn)60 m后趨于穩(wěn)定，其原因?yàn)楣ぷ髅娉醮蝸?lái)壓以前，采空區(qū)上方裂隙帶沒(méi)有形成，高位抽采巷的作用沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)，60 m后采空區(qū)上部裂隙發(fā)育，高位抽采巷的效果逐漸顯現(xiàn)；高位抽采巷瓦斯抽采量隨工作面推進(jìn)度變化而變化；當(dāng)抽采瓦斯量增大時(shí)，風(fēng)排瓦斯量會(huì)降低，有效降低了工作面回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛取?/p>

表1 工作面日產(chǎn)量與高位抽采巷瓦斯流量統(tǒng)計(jì)表

圖3 工作面日產(chǎn)量與高位抽采巷抽采瓦斯量、風(fēng)排瓦斯量、總瓦斯量關(guān)系圖

圖4 工作面推進(jìn)距離與高位抽采巷抽采瓦斯量關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1)隨著工作面的推進(jìn),高位抽采巷的瓦斯抽采量在工作面推進(jìn)40 m時(shí)有一個(gè)顯著增加的過(guò)程，當(dāng)工作面推進(jìn)60 m后達(dá)到一定值后并趨于穩(wěn)定。結(jié)合九里山礦其他工作面初次來(lái)壓步距，這是由于采空區(qū)初次來(lái)壓后，很快在裂隙帶的下方產(chǎn)生了大量的裂隙，與高位抽采巷形成了較好的聯(lián)系，并在回采的中后期一直發(fā)揮著較大的作用，從而確定九里山礦15081綜放工作面高位抽采巷布局合理。

(2)根據(jù)地層巖性特征針對(duì)高位抽采巷斷面選擇和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尤其巷道直墻以下部分及底板的支護(hù)要考慮在直接頂垮落后，易于與采空區(qū)裂隙形成聯(lián)系，又保證整個(gè)斷面不會(huì)完全冒落閉合，形成瓦斯流動(dòng)的通道和貯存空間。

(3)在工作面初次來(lái)壓以前,風(fēng)排瓦斯量較大，采空區(qū)瓦斯抽采量很小，其原因是此時(shí)采空區(qū)上方裂隙帶沒(méi)有形成，高位抽采巷的作用并不明顯。隨著工作面推進(jìn)，高位抽采巷抽采系統(tǒng)逐漸發(fā)揮作用，瓦斯抽采量顯著增加，煤炭產(chǎn)量也有所增加，而風(fēng)排瓦斯量卻相對(duì)減少了，其原因是此時(shí)的采空區(qū)頂板裂隙形成充分，采空區(qū)瓦斯大量向高位抽采巷方向運(yùn)移，減少了向工作面作業(yè)空間的涌入，故工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛让黠@降低，回采后期甲烷傳感器T2顯示0.35%左右，瓦斯?jié)舛认陆导s55%，瓦斯治理效果顯著。