高瓦斯綜放采煤工作面瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

冀中能源峰峰集團(tuán)辛安礦 河北 邯鄲 056200

1 研究背景

隨著采煤產(chǎn)量的提高以及瓦斯涌出量的增加，抽采瓦斯方法出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，雖然從形式上看抽采瓦斯方法并沒(méi)有出現(xiàn)新的方法，但從實(shí)質(zhì)內(nèi)容上看確有許多創(chuàng)新之處。我國(guó)雖然在瓦斯治理上嚴(yán)格執(zhí)行“通風(fēng)可靠，抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”十六字瓦斯治理方針，以完善通風(fēng)系統(tǒng)為前提，實(shí)施“可保盡保，應(yīng)抽盡抽”的瓦斯綜合治理戰(zhàn)略，但煤礦瓦斯事故仍頻繁發(fā)生。隨著礦井不斷向深部開(kāi)采，煤層瓦斯含量愈來(lái)愈高，壓力愈來(lái)愈大，瓦斯問(wèn)題已成為制約礦井安全生產(chǎn)的“瓶頸”，必須從瓦斯綜合治理上找到適合礦井深部煤層開(kāi)采的瓦斯治理方法和手段，從根本上治理瓦斯才能保證礦井安全高效生產(chǎn)。

2 礦井概況

峰峰集團(tuán)有限公司辛安礦（原峰峰集團(tuán)有限公司黃沙礦）于1970年4月10日在黃沙井田開(kāi)工建設(shè)，1971年10月1日投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力30萬(wàn)噸/年。后經(jīng)一系列技術(shù)改造，2017年核定生產(chǎn)能力150萬(wàn)噸/年。礦井開(kāi)采煤層為2#煤層，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤方法，綜采放頂煤采煤工藝。

礦井開(kāi)拓方式為斜、立井多水平兩翼上下山開(kāi)拓方式。有五個(gè)進(jìn)風(fēng)井，分別為主斜井、皮帶斜井、副斜井、辛安南副井、辛安風(fēng)井，兩個(gè)回風(fēng)井，辛安南風(fēng)井和黃沙風(fēng)井。辛安礦現(xiàn)共有四個(gè)水平，即+32m水平、-100m水平、-280m水平、-500m水平。+32m和-100m水平(黃沙井田)已注銷生產(chǎn)能力，目前主要生產(chǎn)地區(qū)集中在辛安井田的-500m水平。開(kāi)采主要煤層為：2#煤(大煤)。

河北省煤管局“冀煤安辦〔2008〕47號(hào)”批復(fù)我礦為高瓦斯礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為19.96m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為13.54m3/t。

礦井所采2#煤為三類不易自燃煤層，煤塵爆炸指數(shù)為29.52%，煤塵具有爆炸性。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 主要研究?jī)?nèi)容 綜放采煤工作面瓦斯涌出受采空區(qū)空間、工作面推進(jìn)速度及時(shí)間、瓦斯地質(zhì)條件等多種因素影響，具有不均衡性和多變性的特點(diǎn)，給采煤工作面生產(chǎn)期間的瓦斯管理和瓦斯防治帶來(lái)了極大地困難，嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)采煤工作面瓦斯涌出特點(diǎn)和周期進(jìn)行了認(rèn)真的研究與分析，主要利用工作面上隅角埋管、高頂鉆孔瓦斯抽采、工作面煤壁抽采等措施解決工作面上隅角及回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯超限問(wèn)題，探索出一套有針對(duì)性綜合瓦斯抽采治理技術(shù)，為我礦瓦斯治理工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(1)工作面上隅角埋管。隨著采面的推進(jìn)，大量的瓦斯積聚在采空區(qū)及其上方和上隅角附近，受工作面回風(fēng)巷回風(fēng)負(fù)壓影響，致使瓦斯不斷向工作面上隅角和回風(fēng)巷涌出，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題采取將抽放管安裝在上隅角里側(cè)，利用抽放泵形成的負(fù)壓作用，采空區(qū)內(nèi)積聚的高濃度瓦斯就會(huì)不斷地沿著抽放管路流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)瓦斯的分流，減少采空區(qū)瓦斯向上隅角及回風(fēng)巷的涌出，有效降低風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?，達(dá)到減少風(fēng)排瓦斯量的目的。

(2)優(yōu)化高頂鉆孔

①高位鉆孔層位布置。為摸索高頂鉆孔終孔位置，我礦使用YSZ100型號(hào)礦用隨鉆軌跡測(cè)量?jī)x對(duì)高頂鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，建立三維坐標(biāo)，模擬出實(shí)際鉆孔軌跡，與設(shè)計(jì)對(duì)比總結(jié)出鉆孔偏斜規(guī)律，調(diào)整高頂鉆孔設(shè)計(jì)方位及傾角，使鉆孔終孔達(dá)到設(shè)計(jì)位置。通過(guò)高頂鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)及抽采效果分析，總結(jié)出采煤工作面上覆巖層冒落高度3-5m，裂隙帶高度15-25m。根據(jù)礦山壓力理論認(rèn)為，煤層隨工作面回采推移，由于受到采動(dòng)壓力的影響，在采空區(qū)沿垂直方向由下而上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶三個(gè)帶，沿工作面推進(jìn)方向(走向)及傾斜方向分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)三個(gè)區(qū)，同時(shí)在工作面前方則會(huì)形成壓力降低區(qū)、壓力增高區(qū)和壓力穩(wěn)定區(qū)三個(gè)區(qū)。工作面回采會(huì)導(dǎo)致上覆巖層卸壓，并在采空區(qū)上方形成“O”形圈裂隙，由于風(fēng)流壓差的作用，形成的瓦斯會(huì)隨風(fēng)流動(dòng)和運(yùn)移。采空區(qū)卸壓釋放的瓦斯一部分隨著采空區(qū)漏風(fēng)到工作面被風(fēng)流帶走，還有大量瓦斯在浮升力的作用下沿裂隙帶向高部運(yùn)移，在靠近回風(fēng)巷側(cè)頂部一定的高度范圍內(nèi)，能夠長(zhǎng)期貯存。根據(jù)瓦斯涌出來(lái)源及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，通過(guò)在工作面上部頂板巖層裂隙帶施工高位抽采鉆孔(高位抽采鉆孔瓦斯抽采又稱頂板裂隙帶抽采)，以工作面回采采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道來(lái)對(duì)工作面煤壁及采空區(qū)涌出的瓦斯進(jìn)行抽采，從而達(dá)到減少工作面采空區(qū)瓦斯積存量，降低工作面后溜及切頂線附近瓦斯?jié)舛?，避免工作面上隅角瓦斯超限的目的?/p>

②高頂鉆孔定位。高頂鉆孔在開(kāi)孔前，使用YHZ90/360礦用本安型鉆機(jī)開(kāi)孔定向儀，該設(shè)備高精度角度傳感器來(lái)測(cè)定鉆機(jī)的方位角和傾斜角度，為鉆機(jī)選定開(kāi)孔位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在可控的范圍內(nèi)提高鉆孔精度。

(3)初采期間工作面煤壁本煤層瓦斯抽采。工作面初采期間由于頂板來(lái)壓跨距大，高位鉆孔施工位置較高，頂板裂隙不充分，高位鉆孔抽采效果較差，針對(duì)此問(wèn)題，采取在工作面煤壁打超前本煤層瓦斯抽放孔，進(jìn)行本煤層瓦斯抽采，減少本煤層中的瓦斯含量，達(dá)到機(jī)組割煤落煤期間風(fēng)量中瓦斯?jié)舛燃袄峡諈^(qū)的瓦斯的積存量。

(4)受地質(zhì)構(gòu)造影響，采空區(qū)垮落程度不一，裂隙帶范圍難以預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)高頂鉆孔抽采效果分析，確定高頂鉆孔最佳抽采層位。根據(jù)影響抽采效果因素分析，煤層頂板在形成離層裂隙的瓦斯通道后抽采起作用，從而研究分析內(nèi)容是如何將高頂鉆孔終孔位置施工至裂隙帶范圍內(nèi)，主要從以下幾方面入手：①.對(duì)高頂鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，摸索鉆孔施工軌跡，確定高位鉆孔終孔位置。②.針對(duì)地質(zhì)構(gòu)造破碎帶，優(yōu)化高頂鉆孔施工工藝。③.研究有效抽采范圍，確定鉆場(chǎng)交替抽采期間壓茬距離。④.通過(guò)對(duì)抽采效果分析，確定出該工作面上覆巖層裂隙帶高度。

3.2 高頂鉆孔在施工期間遇到的問(wèn)題及解決辦法

(1)工作面過(guò)鉆場(chǎng)期間，上隅角瓦斯超限問(wèn)題?，F(xiàn)象描述：每到工作面推至鉆場(chǎng)里外5米期間，工作面上隅角局部出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)不同程度的增高。

解決辦法：在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)補(bǔ)充兩個(gè)控制上隅角的低位鉆孔，鉆孔終孔位置越過(guò)上個(gè)鉆場(chǎng)10m，終孔位于大煤頂板10m，保證工作面過(guò)鉆場(chǎng)期間兩個(gè)低位孔大流量抽取上隅角附近積聚的高濃瓦斯。

(2)鉆孔遇地質(zhì)構(gòu)造帶出現(xiàn)塌孔、孔不返水、施工困難等問(wèn)題。

解決辦法：1.鉆場(chǎng)及鉆孔布置位置盡量避開(kāi)地質(zhì)構(gòu)造帶范圍內(nèi)，如果避開(kāi)困難，把地質(zhì)構(gòu)造帶處于孔口10～30m以內(nèi)最佳。2.施工期間采用三棱鉆桿鉆進(jìn)，因三棱鉆桿空隙大在施工地質(zhì)構(gòu)造破碎帶時(shí)能更好的排出孔內(nèi)巖粉。待拔桿后及時(shí)下封孔管，把地質(zhì)構(gòu)造帶范圍內(nèi)全部下管支撐，保證鉆孔抽采流量。

(3)打鉆期間使用循環(huán)水，水質(zhì)差出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象。

現(xiàn)象描述，鉆孔由測(cè)斜得知施工20～30m以后，鉆孔都有不同程度的向下傾斜現(xiàn)象，特別是鉆孔傾角小于+8°施工時(shí)，鉆孔呈拋物線狀態(tài)更為嚴(yán)重，鉆孔底部20～30米相對(duì)孔口基本接近水平甚至負(fù)度數(shù)現(xiàn)象，如果不能保證施工期間的循環(huán)水水質(zhì)，待拔桿以后，水內(nèi)沉淀巖粉不同程度的堵鉆孔底部及孔中間部位。

解決辦法：使用循環(huán)水打鉆期間保證水質(zhì)，減少循環(huán)水內(nèi)的巖粉，特別是在拔桿前用清水徹底沖洗鉆孔，保證孔內(nèi)巖粉沖洗干凈。

(4)鉆孔鉆進(jìn)速度過(guò)快導(dǎo)致實(shí)際終孔位置與設(shè)計(jì)終孔位置偏差大。

解決辦法：施工鉆孔期間保證勻速鉆進(jìn)，鉆機(jī)給進(jìn)壓力不易太大，特別是在巖性較軟及地質(zhì)構(gòu)造帶附近。

3.3 鉆孔精準(zhǔn)定位 采空區(qū)上覆巖層裂隙帶范圍無(wú)法確定，傳統(tǒng)的高頂鉆孔終孔布置層位單一，有效抽采范圍較小，單孔抽采效果差異很大，我礦目前施工高頂鉆孔采用ZDY-3200動(dòng)力頭式全液壓坑道鉆機(jī)，鉆機(jī)精準(zhǔn)度差，很難將鉆孔施工到設(shè)計(jì)位置等缺點(diǎn)。為提高鉆機(jī)精度，我礦使用YSZ100型號(hào)礦用隨鉆軌跡測(cè)量?jī)x對(duì)高頂鉆孔進(jìn)行測(cè)斜，建立三維坐標(biāo)，模擬出實(shí)際鉆孔軌跡，與設(shè)計(jì)對(duì)比總結(jié)出鉆孔偏斜規(guī)律，通過(guò)調(diào)整高頂鉆孔設(shè)計(jì)方位及傾角使鉆孔終孔達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

我礦對(duì)高頂鉆孔終孔層位進(jìn)行了優(yōu)化將原先的兩層布置方法，改為“三層位”布置法，將終孔設(shè)置成高中低不同層位，使單孔抽采有效范圍增大，同時(shí)更好的布置壓茬間距，遠(yuǎn)距離抽采主要依靠下排鉆孔，隨著采煤工作面不斷推進(jìn)，中上排鉆孔逐漸起到抽采作用。

4 效益分析

隨著煤礦企業(yè)的大力開(kāi)采，導(dǎo)致煤礦開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯事故屢見(jiàn)不鮮，開(kāi)采人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。如何杜絕瓦斯事故的發(fā)生成為煤礦企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，“先抽后采、邊采邊抽”作為一種先進(jìn)的瓦斯治理方法，能保證煤礦的安全開(kāi)采，促進(jìn)煤礦行業(yè)安全持續(xù)的發(fā)展，不斷提高煤礦行業(yè)的社會(huì)效益。確保采煤工作面原煤產(chǎn)量。