車(chē)寨礦井3號(hào)煤層瓦斯抽放治理研究

宋朝春

(晉城乾泰安全技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000)

1 礦井概況及瓦斯賦存狀況

車(chē)寨礦為新建礦井，位于晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a，礦井主采3號(hào)煤層，儲(chǔ)量約為19 094萬(wàn)t。車(chē)寨礦的主立井和副立井均位于井田的中央位置, 在工業(yè)場(chǎng)地東側(cè)較平坦的山坡階地上布置回風(fēng)立井[1]。礦井3號(hào)煤層屬于不易自燃煤層，而且不具備煤塵爆炸的危險(xiǎn)性。

由于車(chē)寨礦為新建礦井，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)井下瓦斯含量測(cè)試。參考相關(guān)地區(qū)的地質(zhì)勘探報(bào)告可知，此處的3號(hào)煤層瓦斯分帶主要為氮?dú)?甲烷帶，個(gè)別地段為甲烷帶，可燃基瓦斯含量區(qū)間為(1.30～7.18)mL/g·daf，平均可燃基瓦斯含量為4.51 mL/g·gaf。

根據(jù)中煤科工集團(tuán)編寫(xiě)的《山西晉煤集團(tuán)興唐煤業(yè)有限公司車(chē)寨礦3號(hào)煤層瓦斯涌出量報(bào)告》可知，該礦的相對(duì)瓦斯含量為(5.94～10.58) m3/t，車(chē)寨礦井3號(hào)煤層地質(zhì)瓦斯含量等值線分布如圖1所示。

圖1 車(chē)寨礦井3號(hào)煤層地質(zhì)瓦斯含量等值線分布

2 瓦斯抽采的可行性和必要性

2.1 瓦斯抽采的可行性

煤礦開(kāi)采層是否具有瓦斯抽采的可能性及難易程度，主要取決于兩個(gè)指標(biāo)：煤層透氣性系數(shù)(λ)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)(α)[2]。結(jié)合兩個(gè)系數(shù)的大小，對(duì)其進(jìn)行綜合分析，從而確定開(kāi)采層預(yù)抽瓦斯的難易程度。

因車(chē)寨礦井為新建礦井，無(wú)井下實(shí)測(cè)瓦斯含量，而王坡煤礦位于車(chē)山井田南側(cè)，特別是與車(chē)寨礦井首采區(qū)比鄰，同時(shí)兩礦井均開(kāi)采3號(hào)煤層的煤，開(kāi)采方法一致，因此參考王坡煤礦3號(hào)煤層的相關(guān)參數(shù)，車(chē)寨礦井的鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.006 7～0.015 2，透氣性系數(shù)為1.745～4.864 (m2/MPa2·d)。依據(jù)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，車(chē)寨礦井3號(hào)煤層的抽采難度屬于可以抽放類(lèi)型，依據(jù)透氣性系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，車(chē)寨礦井3號(hào)煤層的抽采難度屬于可以抽放類(lèi)型，所以車(chē)寨礦井3號(hào)煤層可以進(jìn)行瓦斯抽采，這是下一步礦井開(kāi)展瓦斯抽放的先決條件。

表1 開(kāi)采層預(yù)抽瓦斯難易程度分類(lèi)

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采的可能性

車(chē)寨礦采空區(qū)瓦斯抽采的可能性主要有兩個(gè)原因：第一是根據(jù)礦井生產(chǎn)計(jì)劃選用的長(zhǎng)壁綜采放頂煤方法，頂板會(huì)隨著工作面的回采整體垮落，由于車(chē)寨礦井3煤層厚度較大，因此采空區(qū)丟煤較多，開(kāi)采后采空區(qū)未開(kāi)采的頂煤自行垮落，造成煤層中的瓦斯釋放；第二個(gè)原因是采動(dòng)過(guò)后，下部的鄰近層也會(huì)有部分的瓦斯涌入采空區(qū)[3]。在這兩個(gè)因素的作用下，大量瓦斯涌出到采空區(qū)，在礦井負(fù)壓的主導(dǎo)作用下，瓦斯會(huì)涌入到生產(chǎn)作業(yè)頭面，從而造成工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷道的瓦斯超限。因此，采空區(qū)瓦斯抽采勢(shì)在必行。

2.3 從資源利用和環(huán)保分析瓦斯抽放必要性

瓦斯作為影響礦井安全的主要災(zāi)害之一，其一旦出現(xiàn)集聚和涌出，很可能出現(xiàn)瓦斯爆炸事故，造成的后果不堪設(shè)想。同時(shí)，瓦斯還是一種嚴(yán)重影響環(huán)境的有害氣體，它不僅可以污染大氣環(huán)境，使地球大氣的臭氧層遭到破壞，而且還是一種危害巨大的溫室氣體，相同體積瓦斯造成的溫室效應(yīng)，是相同體積二氧化碳造成的溫室效應(yīng)的二十多倍。雖然瓦斯有很多的弊端，但是它卻是一種非常優(yōu)質(zhì)的能量資源，合理利用可以取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，車(chē)寨礦井3號(hào)煤層瓦斯儲(chǔ)量1 892.59 Mm3，可抽瓦斯量946.3 Mm3[4]。因此，從資源開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)的視角來(lái)看應(yīng)當(dāng)開(kāi)展瓦斯抽采。

3 瓦斯抽放方案

根據(jù)礦井各生產(chǎn)階段瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，車(chē)寨礦井瓦斯來(lái)源為：回采工作面占38.59%～39.84%，掘進(jìn)工作面占15.72% ～16.96%，采空區(qū)占44.44%～44.45%。

車(chē)寨礦井首先開(kāi)發(fā)的3號(hào)煤層是厚煤層，瓦斯賦存量大，因此瓦斯主要來(lái)自開(kāi)采層本身。因此瓦斯抽放方案根據(jù)巷道布設(shè)方式、礦井地質(zhì)條件、瓦斯涌出組合，因車(chē)寨礦井為新建礦井，暫時(shí)無(wú)采空區(qū)，因此在礦井開(kāi)采初期，設(shè)計(jì)以抽采開(kāi)采層瓦斯為主、抽采采空區(qū)瓦斯為輔，邊采邊抽、邊掘邊抽和預(yù)抽融為一體的立體、整體綜合瓦斯抽采的作法。

3.1 開(kāi)采層瓦斯抽采方法

根據(jù)瓦斯抽采鉆孔分布于開(kāi)采層的方式[2]，可以選擇采用順煤層鉆孔抽采和穿層鉆孔抽采兩種抽采方式。但是車(chē)寨礦井工作面的巷道采用沿煤層布置方式，所以這里只能選用順煤層鉆孔抽采方式。采用順層平行鉆孔單側(cè)布置方式，回采工作面長(zhǎng)度200 m，設(shè)計(jì)在預(yù)抽巷道內(nèi)施工，工作面內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為180 m，單側(cè)鉆孔間距為3.0 m，終孔直徑d0=94 mm。負(fù)壓范圍為(13～20) kPa，封孔材料選用水泥砂漿。3號(hào)煤層采前預(yù)抽瓦斯鉆孔(順層)布置示意圖如圖2所示，預(yù)抽時(shí)間1.5 a。在回采工作面的前推下，正前方煤體會(huì)受卸壓作用影響，產(chǎn)生相應(yīng)裂隙帶，借助于此可以提高瓦斯抽采率，降低瓦斯涌出量，鉆孔報(bào)廢時(shí)間是工作面煤壁推進(jìn)到距鉆孔開(kāi)口點(diǎn)5 m時(shí)，鉆孔停止抽采。

圖2 3號(hào)煤層采前預(yù)抽瓦斯鉆孔(順層)布置示意

3.2 掘進(jìn)面瓦斯抽采方法

在原始煤層中進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，鉆場(chǎng)應(yīng)在掘進(jìn)工作面的兩側(cè)交錯(cuò)布置施工，這種施工方式可以保證在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中掘進(jìn)和抽采的理想效果。

抽采鉆孔布置：在掘進(jìn)頭面的正前方進(jìn)行鉆孔布置，工作面迎頭鉆孔布置數(shù)量為10個(gè)，鉆孔布置形式為三花形雙排布置，開(kāi)孔間距約為1 m，鉆孔布置傾角應(yīng)與煤層傾角相同；下排鉆孔布置傾角與煤層傾角為-1.5°；橫川中鉆孔布置間距為2 m，鉆孔布置傾角與煤層傾角為-1°，鉆孔長(zhǎng)度約為180 m。掘進(jìn)面預(yù)抽工作只有在抽采效果符合檢驗(yàn)要求后才可以繼續(xù)掘進(jìn)。

當(dāng)瓦斯含量較大時(shí)，抽采鉆孔布置：掘進(jìn)工作面鉆場(chǎng)間鉆孔搭接長(zhǎng)度20 m，雙巷掘進(jìn)時(shí)可只在兩巷道外側(cè)布置抽采鉆場(chǎng)；巷道內(nèi)側(cè)可不布置鉆場(chǎng)，可將聯(lián)絡(luò)巷作為煤柱抽采鉆孔的鉆場(chǎng)，施工煤柱瓦斯抽采鉆孔，以減少煤壁瓦斯涌出，掘進(jìn)面瓦斯抽采方法如圖3所示。

3.3 采空區(qū)瓦斯抽采方法

針對(duì)采空區(qū)的封閉情況，分別采用不同的瓦斯抽采方法。未封閉的綜采工作面作業(yè)采空區(qū)，采用鉆孔法抽采采空區(qū)裂隙帶瓦斯或埋管抽采采空區(qū)瓦斯。已封閉的綜采工作面采空區(qū)，可以選用在密閉上埋管進(jìn)行抽采或者向封閉的采空區(qū)施工鉆孔進(jìn)行抽采[5]。

3.3.1 采空區(qū)埋管抽放

采空區(qū)埋管抽放方法是提前把瓦斯抽放管路伸入采空區(qū)，采空區(qū)的頂板垮落后，預(yù)埋的瓦斯抽放管可以繼續(xù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采。采用埋管抽放法時(shí)，應(yīng)注意抽采點(diǎn)的高度，一般選用2～3 m的高度為宜。同時(shí)，由于抽放管在頂板垮落后會(huì)受到一定的沖擊，所以吸氣口需要采取防砸和防堵的措施。建議采用的防堵措施是將吸氣口焊成“T”形立管，同時(shí)在立管周?chē)描F絲網(wǎng)纏繞。建議采用的防砸措施是采用木垛將“T”形立管?chē)饋?lái)，這種方法可以有效防止抽放管被頂板砸倒，簡(jiǎn)單易行，成本低廉。

圖3 掘進(jìn)面瓦斯抽采方法示意

圖4 采空區(qū)埋管抽采方法示意

聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采口的最佳位置是在工作面后部(100～150) m的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)進(jìn)行抽采不僅可以抽到較高濃度的瓦斯，而且對(duì)于解決隅角瓦斯也非常有效。

3.3.2 高位長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯

高位長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯在綜采工作面的回風(fēng)巷道進(jìn)行施工，鉆孔角度為垂直鉆孔或與工作面推進(jìn)方向呈一定角度的仰角長(zhǎng)鉆孔，瓦斯抽放鉆孔的終孔位置位于采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)[6]。采用這種抽采方式，可以改變采空區(qū)的流場(chǎng)方向，使采空區(qū)形成負(fù)壓，減少了瓦斯向采煤工作面涌出，降低了工作面瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 頂板傾向高位鉆孔抽放上隅角瓦斯抽采方法示意

3.3.3 全封閉采空區(qū)抽采瓦斯

采空區(qū)在全封閉情況后，通常囤積著大量的高濃度瓦斯，其會(huì)由于礦壓作用而在煤體中形成的孔洞或縫隙等通道外泄到礦井風(fēng)流中。因此，礦井可以采取在密閉的巷道上埋壓瓦斯抽放管路，或通過(guò)定向鉆工施工至采空區(qū)等進(jìn)行抽采瓦斯。

4 結(jié) 語(yǔ)

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，瓦斯的大量涌出嚴(yán)重影響著礦山安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行，嚴(yán)重阻礙著日常工作生產(chǎn)的有序開(kāi)展。通過(guò)對(duì)車(chē)寨礦井3號(hào)煤層瓦斯賦存狀況和生產(chǎn)期間的瓦斯來(lái)源分析研究，認(rèn)為車(chē)寨礦井具備建立瓦斯抽放系統(tǒng)的必要性，本文結(jié)合礦井實(shí)際情況設(shè)計(jì)良好的抽放方案，從而將有效在礦井建成投產(chǎn)后解除瓦斯超限對(duì)生產(chǎn)的束縛。