高瓦斯礦井大采高綜采工作面綜合抽采技術(shù)研究

賈 君

高瓦斯礦井大采高綜采工作面綜合抽采技術(shù)研究

賈 君

(山西焦煤霍州譚坪煤電有限責(zé)任有限公司，山西 臨汾市 031400)

為有效解決譚坪高瓦斯礦井大采高綜采工作面瓦斯抽采困難、瓦斯超限等問題，結(jié)合譚坪礦的礦山工程實際以及微震技術(shù)，通過工作面采動影響下裂隙發(fā)育演化過程的分析，提出了瓦斯沿頂板分帶、卸壓分區(qū)聚集的運移規(guī)律分析模型。并進一步結(jié)合運移規(guī)律分析，提出了有效解決該礦瓦斯抽放難題的綜合抽采技術(shù)方法。經(jīng)工業(yè)試驗檢驗，該工作面實測瓦斯純量最大為8.19 m3/min，瓦斯?jié)舛茸畲鬄?7.64%，能滿足規(guī)程中的安全生產(chǎn)要求。

高瓦斯礦井;大采高;綜采工作面;綜合抽采

隨著煤礦逐漸走向機械化、自動化，大采高綜采工作面由于其推進速度快、安全性好以及能滿足產(chǎn)量需求等諸多優(yōu)勢，成為煤礦工作面開采方式發(fā)展的必然趨勢[1-3]。但伴隨著產(chǎn)量的增大、采高的加大，同時也給工作面開采帶來了更大的瓦斯涌出隱患，傳統(tǒng)的通風(fēng)和單一的瓦斯抽采方法往往無法有效解決此類礦山的瓦斯治理難題。特別是當工作面受到采動影響時，其采場內(nèi)的裂隙受震動及其他因素的影響，將得到進一步的發(fā)育，改變瓦斯原有的運移規(guī)律，導(dǎo)致從巖體內(nèi)得以析出，并形成積聚，為工作面開采帶來隱患。因此，結(jié)合礦山實際地質(zhì)概況，嘗試從分析巖層破壞入手，分析得出瓦斯運移規(guī)律，并結(jié)合瓦斯的運移特性，“因地制宜”地提出瓦斯抽采策略[4-5]，對于有效解決高瓦斯礦井內(nèi)的瓦斯治理問題具有極為重要的現(xiàn)實意義，同時也能為其他類似礦山提供一定的理論指導(dǎo)和技術(shù) 借鑒。

1 譚坪1#礦地質(zhì)概況

譚坪1#礦主采煤層為2#、3#、10#，其中2#煤屬于中灰分、特低硫、低磷、特高熱值貧煤，厚度3.05～7.15 m，平均厚度為5.33 m，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層；3#煤層屬中灰、中硫、低磷、高熱值貧煤，為可采性較差的局部可采煤層，厚度0.35～1.35 m，平均厚度0.95 m；2#、3#煤層間距1.5～4.2 m，平均2.1 m，埋深690～1100 m，煤層為近水平煤層，覆存底板等高線標高為+340～?420 m；10#煤層厚度0～4.7 m，平均厚度2.1 m，為中高硫煤，全區(qū)突水系數(shù)大于0.1 MPa/m。井下布置一個生產(chǎn)盤區(qū)，以一個大采高綜采工作面保證該礦4.0 Mt/a的產(chǎn)量，配備5個綜掘工作面，采掘比為1:5，采用傾斜長臂采煤法，大采高一次采全高綜采采煤工藝。根據(jù)《瓦斯涌出量預(yù)測報告》，該礦最大絕對瓦斯涌出量為301.93 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為35.87 m3/t，屬于典型的高瓦斯礦井。

2 綜采工作面瓦斯運移規(guī)律研究

在綜采工作面，瓦斯運移存在一定的規(guī)律性，且這種規(guī)律性明顯受制于工作面的采動卸壓過 程[6]。通常，在隨綜采工作面回采任務(wù)進行過程中，頂板將首先經(jīng)歷初次垮落，隨后呈現(xiàn)周期性的垮落。在上述垮落過程中，頂板上覆巖層將首先表現(xiàn)出彎曲下沉，頂板開始出現(xiàn)破碎、離層狀態(tài)，并逐漸形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，頂板完整性逐漸開始破壞，頂板裂隙開始逐漸發(fā)育，以致于最終完全垮落。因此，從這個過程來看，頂板垮落的整個過程均與工作面的回采推進有關(guān)。為進一步說明，隨采動卸壓過程上覆頂板巖層的碎裂過程，利用微震技術(shù)[7]來揭示采場內(nèi)的圍巖空間破裂形態(tài)，其中該綜采工作面的微震檢測效果如圖1所示。結(jié)合圖1結(jié)果，考慮破裂密度曲線形態(tài)，確定出該綜采工作面高、低位破裂帶高度分別在75~100 m、40~70 m范圍。

圖1 微震監(jiān)測結(jié)果

在確定高、低位碎裂帶范圍后，這些裂隙的發(fā)育狀況將直接影響瓦斯的析出情況，從而影響瓦斯的運移狀態(tài)。故在前述碎裂帶范圍分析的基礎(chǔ)上，沿采空區(qū)橫、縱兩個方向?qū)﹂_采層位上的瓦斯析出分布區(qū)域又進行了分類，分類結(jié)果如圖2所示。

圖2 高卸壓瓦斯分布

（1）底鼓變形帶：結(jié)合層位關(guān)系判別，其內(nèi)部裂隙隨采動形成，沿層位節(jié)理展開，多以順層張裂隙存在，對瓦斯有一定吸附作用，但當卸壓載荷過大時，極易出現(xiàn)層間空隙變大，吸附能力消失而釋放瓦斯；

（2）直接頂冒落帶：在采面直接頂附近位置形成，與采空區(qū)直鄰或易與漏風(fēng)帶直接相通，是瓦斯抽采任務(wù)中最難處理的位置；

（3）富集區(qū)裂隙帶：該區(qū)域與采空區(qū)貫通，是整個工作面瓦斯聚集的最佳位置，該區(qū)域小裂隙吸附瓦斯能力極強，而當小裂隙逐漸演化為大型裂隙構(gòu)造時，此處富集區(qū)存在瓦斯積聚隱患，因此，是綜合抽采重點治理的核心區(qū)域。

（4）彎曲下沉帶：彎曲下沉區(qū)域往往距離煤層層位較遠，相比于直接頂?shù)雀患瘏^(qū)域，其屬于低卸壓瓦斯區(qū)，該層位雖有裂隙，但此部分裂隙只參與頂板變形，瓦斯積聚和吸附極少會穿越上覆巖層，故含量少，抽采率也是整個采面中最低的。

上述頂板分帶及瓦斯分布區(qū)域的確定，主要是解決Z方向上瓦斯流的運移規(guī)律，同樣的，在X-Y平面方向上，瓦斯流也存在明顯的富集現(xiàn)象，其富集狀態(tài)可采用圖3進行近似描述，其基本運移規(guī)律是由采運側(cè)向回風(fēng)側(cè)聚集。

圖3 瓦斯流富集規(guī)律

3 譚坪礦綜采工作面綜合抽采設(shè)計

結(jié)合上述瓦斯運移和富集規(guī)律，同時考慮譚坪礦瓦斯抽采的切實需求，在兼顧采動卸壓的影響作用下，充分利用瓦斯抽采技術(shù)中的“卸壓增滲”原理，嘗試在瓦斯積聚以及瓦斯積聚隱患區(qū)域積極布置和增強抽采工程，重點在煤層、上覆巖層以及裂隙帶3大區(qū)域設(shè)置抽采鉆孔。

3.1 煤層抽采方案設(shè)計

為保證增加煤層滲透面積，提高瓦斯采出率，抽采方案在距煤層切眼35 m位置開始設(shè)計鉆孔，其中鉆孔為切斜均勻孔，其布置形式如圖4所示，兩側(cè)錯位孔距3.5 m，單排空隙間距3.2 m，鉆孔長度148 m，方位角為75°和82°，抽采鉆孔孔徑為113 mm，抽采側(cè)負壓為24~37 kPa。

圖4 煤層抽采鉆孔布置形式

由于煤層牽扯采動效應(yīng)，導(dǎo)致其采前和采后的抽采操作存在一定的差異，為清楚描述抽采操作流程，從采前、采中以及采后3個階段分述抽采方案中的抽放流程。

（1）采前抽放。在布置好抽放鉆孔后，首先在煤層區(qū)域進行區(qū)域預(yù)抽，其目的在于降低煤層中的吸附瓦斯含量，以保證后續(xù)采煤、掘進作業(yè)具有安全保證。

（2）采中抽放。采中抽采主要考慮該面在采煤作業(yè)時，常出現(xiàn)上隅角瓦斯積聚問題，因此，其抽采操作應(yīng)集中于上隅角附近，必要時可以考慮在上隅角鉆孔處敷設(shè)一組抽采管路，以降低采面瓦斯涌出量。

（3）采后抽放。主要是針對采煤工作面作業(yè)結(jié)束后，除完成各高、低位鉆孔抽放任務(wù)以外，應(yīng)及時將預(yù)留抽采管路，連接至采空區(qū)內(nèi)的主抽放管路，從而降低工作面墻壁出現(xiàn)瓦斯涌出事故。

3.2 上覆巖層及裂隙帶抽采方案設(shè)計

由頂板分帶與瓦斯分布區(qū)域分析可知，頂板各分帶多處于高卸壓瓦斯區(qū)，同時有效解決此高卸壓瓦斯區(qū)內(nèi)的瓦斯積聚問題也是實現(xiàn)合理化抽采方案設(shè)計的關(guān)鍵。為此，在頂板附近裂隙帶設(shè)置抽采傾斜鉆孔，孔距1.2 m，鉆孔長度87~115 m，具體的布置形式如圖5所示。按照煤層鉆孔的平面孔位就行分組，在巖層層位每組設(shè)置5組鉆孔，孔口采用聚氨酯封孔，孔徑在75 mm左右。

圖5 上覆巖層及破碎帶鉆孔布置形式

4 綜合抽采實施效果及評價

2018年5月12到2018年7月20日期間，針對該礦2701綜采工作面進行瓦斯抽采的工業(yè)性實驗，并實測瓦斯抽采純量和抽采濃度變化狀況。為進一步說明抽采效果，對5月15日~7月15日的巖層鉆場內(nèi)的瓦斯抽采檢測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果見圖6。

對比圖6中的數(shù)據(jù)可知，瓦斯抽采純量呈現(xiàn)逐漸增大?減小?再增大的一個過程，濃度也隨純量呈現(xiàn)出波動變化的狀態(tài)，在這累計的62 d中，瓦斯抽采純量以及抽采濃度一直處于一個平穩(wěn)的狀態(tài)，僅在6月中旬出現(xiàn)過一次階段性的抽采高峰，這與礦山實際生產(chǎn)中偶遇地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。結(jié)合統(tǒng)計結(jié)果，該礦瓦斯抽采最大純量為8.19 m3/min，瓦斯?jié)舛茸畲?7.64%，對比《煤礦瓦斯抽采評價暫行規(guī)定》，各項指標可滿足安全生產(chǎn)的切實要求。因此，綜合上述分析，文中所采用的頂板分帶以及巖層松碎區(qū)域的分析方法可有效解決分析抽采問題，同時設(shè)計的抽采方案有效解決了譚坪礦的瓦斯抽采困難 問題。

圖6 瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

高瓦斯礦井大采高綜采工作面常存在瓦斯抽采困難、且具有瓦斯超限風(fēng)險等現(xiàn)實問題，文中結(jié)合微震技術(shù)從頂板破碎演化分析入手，提出了兼顧工作面采動影響的瓦斯積聚及運移規(guī)律模型，并進一步提出了改善譚坪礦瓦斯抽采設(shè)計的有效方案。工業(yè)實驗論證了上述方法切實有效，能為該礦安全生產(chǎn)提供有力的保障。同時，此類方法也為相似類型礦山的瓦斯抽采任務(wù)提供了有益參考。

[1] 劉慧志.某煤層瓦斯抽放方法與實踐研[D].山西:中北大學(xué),2013.

[2] 方 亮.煤礦瓦斯綜合抽采技術(shù)研究及設(shè)計[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2016(21):61-62.

[3] 安朝峰.高位巷道瓦斯抽采對煤自燃三帶分布影響研究[J].陜西煤炭,2019,38(02):25-27+31.

[4] 李 杰.特厚煤層綜放工作面地面鉆孔抽采治理瓦斯技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2019,47(03):150-155.

[5] 陳 赟.綜放工作面瓦斯涌出特點及應(yīng)對措施研究[J].煤礦現(xiàn)代化,2019(03):57-59+62.

[6] 王 亮.不同層位參數(shù)下高抽巷瓦斯抽采效果研究[J].能源與環(huán)保,2019,41(03):33-35+59.

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(2019-04-18)

賈 君(1987—)，男，山西臨汾人，助理工程師，主要從事礦山開采設(shè)計、通風(fēng)及瓦斯抽采等工作，Email: 2859618702@qq.com。