臨渙煤礦瓦斯防治技術(shù)研究

田 麗，李 賀，2，徐超平，劉五車，王小龍

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

瓦斯是威脅礦井安全的重要因素之一，在礦井生產(chǎn)過程中容易造成人員窒息或瓦斯爆炸，給礦井安全生產(chǎn)帶來顯著的不利影響[1-4]。為了降低瓦斯災(zāi)害帶來的損失，瓦斯防治技術(shù)被應(yīng)用于該領(lǐng)域中。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對不同條件下的瓦斯災(zāi)害及其防治技術(shù)展開了相關(guān)研究。研究瓦斯涌出是瓦斯防治的前提，掌握瓦斯涌出規(guī)律就可以進(jìn)行相關(guān)瓦斯涌出量預(yù)測[5]。國外學(xué)者提出了艾雷瓦斯解吸經(jīng)驗公式、基于winter指數(shù)的平滑預(yù)測及基于R/S分析法等瓦斯涌出量預(yù)測方法。經(jīng)過科學(xué)工作者多年的努力，國內(nèi)瓦斯防治技術(shù)也取得了大量研究成果[6-14]。李玉寶[15]提出改進(jìn)優(yōu)化通風(fēng)方式，利用地面抽采井、采前預(yù)抽、高抽巷抽采和采空區(qū)埋管相結(jié)合的立體式抽采模式，實現(xiàn)了高瓦斯變低瓦斯抽采。李鵬[4]提出本煤層順層鉆孔抽采、高位抽采鉆孔、采空區(qū)埋管抽采、現(xiàn)采空區(qū)埋管抽采相結(jié)合的綜合治理技術(shù)。劉培[16]采用高位鉆孔、超前卸壓鉆孔、上隅角插管的瓦斯防治技術(shù)，有效降低了工作面的瓦斯涌出。不同開采條件下需采用不同的瓦斯防治技術(shù)，本文根據(jù)臨渙煤礦六采區(qū)1061工作面的地質(zhì)與開采技術(shù)條件，在綜合分析和研究的基礎(chǔ)上，制定1061工作面回采期間的瓦斯治理技術(shù)方案，以實現(xiàn)1061工作面的瓦斯防治目標(biāo)，確保六采區(qū)1061工作面安全生產(chǎn)。

1 工程背景

臨渙煤礦位于安徽省淮北市西南部濉溪縣境內(nèi)，礦井東西長13 km，南北寬4～5 km，面積約為50 km2。臨渙井田內(nèi)構(gòu)造的主要特點是張性斷裂及次級褶曲發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)落差大于5 m斷層的268條(正斷層261條，逆斷層7條)。斷層走向以NNE和NE向為主，斷層之間相互切割交叉，嚴(yán)重影響采區(qū)的合理劃分。根據(jù)《礦井地質(zhì)規(guī)程》有關(guān)礦井地質(zhì)條件分類規(guī)定，綜合評定井田構(gòu)造復(fù)雜程度為Ⅲ類。

臨渙煤礦六采區(qū)位于礦井西翼(含一、二水平)，二疊系含煤地層，主采7、8、9、10煤4層煤。研究結(jié)果表明，六采區(qū)主采煤層均不在突出危險區(qū)域內(nèi)，主采煤層7、9(8)和10煤均不具有突出危險性。

2 工作面瓦斯涌出量確定

2.1 工作面回采期間瓦斯涌出量情況

根據(jù)回采期間瓦斯抽排量記錄原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，1061工作面瓦斯涌出自2018年1月18日開始，回采結(jié)束于2019年9月29日，共計時間為620 d，瞬時瓦斯涌出量為0.48～22.20 m3/min，平均14.97 m3/min，累計瓦斯涌出量為1 336.6萬m3。

2.2 工作面風(fēng)排瓦斯情況

根據(jù)臨渙煤礦1061工作面通風(fēng)與瓦斯日報數(shù)據(jù)，六采區(qū)1061工作面回采期間，工作面排風(fēng)量為720～2 102 m3/min，平均1 670 m3/min；回風(fēng)流瓦斯?jié)舛萒2示值為0.02%～0.07%，平均0.03%；風(fēng)排瓦斯量為0.14～1.47 m3/min，平均0.46 m3/min。累計總風(fēng)排瓦斯量為41.2萬m3。

3 瓦斯防治技術(shù)措施

根據(jù)項目實施方案，1061工作面瓦斯治理模式為“分源綜合抽采(地面井+高位鉆孔+上向攔截鉆孔+采空區(qū)埋管)”措施。

3.1 地面抽采井抽采瓦斯

地面抽采井抽采瓦斯旨在通過地面抽采井穿透7、9(8)和10煤后進(jìn)入10煤底板。在1061工作面開采期間，因采動影響，大量吸附瓦斯迅速解吸為游離瓦斯，利用地面抽采井的高負(fù)壓對7、9(8)和10煤解吸瓦斯進(jìn)行抽采。

(1)1061工作面地面抽采井抽采鉆孔設(shè)計。根據(jù)地面抽采井抽采半徑，1061工作面共設(shè)計6口地面井。鉆井開孔直徑311 mm，終孔直徑91 mm，終孔于10煤層底板。1號地面抽采井距降低風(fēng)巷40 m，距切眼229 m，1號地面抽采井距回風(fēng)巷120 m，距對接切眼100 m，3號—6號地面抽采井距1061回風(fēng)巷120 m，抽采井間距為150 m。工作面地面井的具體位置如圖1所示。

圖1 臨渙煤礦六采區(qū)1061工作面地面井布置剖面Fig.1 Layout of surface wells in the 1061 working face in sixth mining area of Linhuan Coal Mine

(2)地面井瓦斯抽采量統(tǒng)計。根據(jù)礦井瓦斯抽采原始記錄，地面抽采井在2018年2月8日開始抽采，2019年9月29日結(jié)束，瞬時抽采量為2.53～16.96 m3/min，平均為12.22 m3/min，累計瓦斯涌出量為1 055萬m3。

根據(jù)臨渙煤礦各煤層C同位素分布規(guī)律，1061地面抽采井瓦斯抽采比例為：7煤21%、9(8)煤38%、10煤35%、其他6%。計算得出各煤層抽采瓦斯總量分別為7煤222.3萬m3、9(8)煤400.6萬m3、10煤368.9萬m3、其他63.2萬m3。

3.2 高位鉆孔與攔截鉆孔抽采瓦斯

(1)高位鉆孔設(shè)計。高位鉆孔設(shè)計在工作面高位鉆場內(nèi)，主要解決工作面回采期間鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出問題[17]。通過高位鉆孔對采空區(qū)進(jìn)行抽采，減少采空區(qū)瓦斯涌出量，實現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)[18]。據(jù)工作面可采走向長度及風(fēng)巷、降低風(fēng)巷煤層賦存情況，沿工作面風(fēng)巷、降低風(fēng)巷共設(shè)計高位鉆場12個。降低風(fēng)巷設(shè)計高位鉆場3個，鉆場平臺長5.0 m、寬4.0 m、高3.0 m，鉆場間距80～110 m；對接切眼內(nèi)設(shè)計高位鉆場1個，鉆場位于對接切眼向上30 m；風(fēng)巷設(shè)計高位鉆場7個，鉆場間距110～130 m。工作面初放、切眼對接期間，1號、5號高位鉆場增加3個低位抽采孔，控制到煤層頂板3～5 m，傾向上距風(fēng)巷、降低風(fēng)巷平距5～15 m；2號、3號及6號—11號高位鉆場分別布孔12個(6高6低)，孔徑113 mm。在降低風(fēng)巷內(nèi)4號鉆場內(nèi)施工斜交鉆孔，用于抽采工作面對接前采空區(qū)瓦斯。鉆孔設(shè)計12個，終孔間距10 m，控制降低風(fēng)巷向下25 m。

(2)上向攔截鉆孔設(shè)計。利用高位鉆場向被保護(hù)層施工上向攔截鉆孔，超前抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯，減少被保護(hù)層卸壓瓦斯大量涌入保護(hù)層工作面采空區(qū)，防止瓦斯超限[19]。按照40 m×40 m網(wǎng)格在工作面走向上、傾向上布置鉆孔，孔徑113 mm，終孔位置要求穿過9煤層頂板0.5 m；鉆孔終孔后安設(shè)φ108 mm套管，封孔深度封至冒落帶5 m以上，每個鉆場的上向攔截鉆孔通過抽采集中箱與抽采管路連接，抽采孔口負(fù)壓不低于13 kPa。

(3)“高位+上向攔截”鉆孔瓦斯抽采量統(tǒng)計。六采區(qū)1061工作面“高位+上向攔截”鉆孔抽采瓦斯始于2018年1月23日，結(jié)束于2019年9月29日。其中，高位鉆孔瞬時瓦斯抽采量為0.11～4.18 m3/min，平均為0.93 m3/min，累計抽采量為82.11萬m3。高位鉆孔抽采量變化曲線如圖2所示。

圖2 1061工作面高位鉆孔抽采量變化曲線Fig.2 Change curve of the drainage volume of the high-level boreholes on 1061 working face

1061工作面上向攔截鉆孔瞬時抽采量0.07～6.45 m3/min，平均1.47 m3/min，累計抽采量為130.00萬m3。上向攔截鉆孔抽采量變化曲線如圖3所示。根據(jù)臨渙煤礦各煤層C同位素分布規(guī)律，1061上向攔截鉆孔瓦斯抽采比例為：7煤27%、9(8)煤45%、10煤及其他28%。計算得出各煤層抽采瓦斯總量分別為7煤35.1萬m3、9(8)煤58.5萬m3、10煤及其他36.4萬m3。上向攔截鉆孔分源抽采量變化曲線如圖4所示。

圖3 1061工作面上向攔截鉆孔抽采量變化曲線Fig.3 Change curve of the drainage volume from upward intercepting boreholes on 1061 working face

圖4 1061工作面上向攔截鉆孔分源抽采量變化曲線Fig.4 Variation curves of source extraction volume from interception boreholes on 1061 working face

3.3 采空區(qū)埋管抽采瓦斯

(1)采空區(qū)埋管管路布置。在工作面上隅角預(yù)埋抽采管路，通過移動瓦斯抽采系統(tǒng)抽采采空區(qū)瓦斯，防止上隅角瓦斯積聚[20]。六采區(qū)1061工作面采空區(qū)埋管布置如圖5所示。

圖5 六采區(qū)采空區(qū)埋管抽采瓦斯管路布置Fig.5 Schematic diagram of gas drainage pipeline layout of goaf buried pipe in the sixth mining area

(2)采空區(qū)埋管瓦斯抽采量統(tǒng)計。六采區(qū)1061工作面采空區(qū)埋管抽采瓦斯始于2018年1月18日，后因工作面瓦斯抽采措施能力富余，于2018年5月28日停止采空區(qū)埋管抽采，抽采時間131 d。采空區(qū)埋管瞬時抽采量為0.12～5.46 m3/min，平均為1.55 m3/min，累計抽采量為33.95萬m3。

根據(jù)礦井1061工作面回采期間回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果(圖6)，沒有發(fā)現(xiàn)瓦斯異常涌出現(xiàn)象。由圖6可以看出，在1061工作面整個回采期間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.02%～0.07%，表明1061工作面回風(fēng)巷最大瓦斯?jié)舛葹?.07%，遠(yuǎn)小于《煤礦安全規(guī)程》中的規(guī)定值1%[21]，充分說明了瓦斯防治技術(shù)方案的合理性和方案實施的有效性。

圖6 1061工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?T2)變化曲線Fig.6 Gas concentration (T2) change curve of return airway in 1061 working face

4 結(jié)論

根據(jù)臨渙煤礦各煤層C同位素分布規(guī)律，1061工作面回采期間，“地面抽采井與上向攔截鉆孔”對上覆7煤的抽采比例分別為21%、27%，累計抽采7煤瓦斯量為257.4萬m3；對9(8)煤抽采比例分別為38%、45%，累計抽采9(8)煤層瓦斯量為459.1萬m3，大大降低了臨近層9(8)和7煤的瓦斯含量，為六采區(qū)7煤與9(8)煤后續(xù)的安全高效回采奠定了堅定基礎(chǔ)。