辛置煤礦2-2-559綜采面初期瓦斯與煤塵治理研究

董林超

(霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州市 031412)

0 概況

辛置煤礦自 1952年建井以來，經(jīng)山西省能源局認定核準的生產(chǎn)能力為280萬t/a，現(xiàn)主采2#、10#、11#等煤層。其中+450 m水平位于2#煤層，煤層埋深+306 m～+370 m，走向較為平緩，傾角約為5°，平均厚度為3.75 m。工作面南部為310回風巷、310皮帶巷及310軌道巷，西部為采區(qū)回風井與工業(yè)廣場保護煤柱。受成煤地質(zhì)因素影響，煤層透氣性較差，回采中相對瓦斯涌出量高達10.3 m3/t，瓦斯已經(jīng)成為綜采面安全生產(chǎn)的巨大隱患。

2-2 -559 綜采面所屬煤層整體為單斜構(gòu)造，單斜軸N13°W，工作面共存在10條斷層，有2條橫穿工作面，落差大于等于4 m的斷層存在6條，對安全回采影響較大。2-2-559綜采面走向平均長度為760 m，傾斜長度為131 m，總綜采面積為99 560 m2。采面的直接頂、老頂由砂質(zhì)泥巖、砂巖組成，老頂來壓強度、步距較為穩(wěn)定，因此采用全部垮落法控制巖層坡段，其采面布置如圖1所示。

1 綜采面瓦斯來源與通風方案現(xiàn)狀

1.1 綜采面內(nèi)瓦斯涌出現(xiàn)狀

2-2 -559 綜采面初期采用“U型通風+采煤機噴霧+轉(zhuǎn)載點噴霧”的常規(guī)手段控制瓦斯超限和煤塵污染難題。新鮮風流由2-2-559皮帶巷向回風平巷內(nèi)流動。在綜采面停采期間，采面配風量為 1360 m3/min，風速為3.53 m3/s，工作面瓦斯平均濃度在0.2%～0.31%之間變化。當綜采面推進至斷層帶或老頂來壓時，瓦斯?jié)舛壬仙?.4%～0.6%，達到生產(chǎn)所限定的瓦斯極限濃度，影響后續(xù)安全作業(yè)。

依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預測方法》所規(guī)定的分源預測法[1-3]對 2#煤層回采期間的瓦斯涌出量情況進行預測，其預測結(jié)果表明：開采煤層內(nèi)地質(zhì)條件多變，在通風困難時期，開采動壓所形成的卸壓區(qū)域和斷層裂隙貫通至臨近煤層，迫使2-2-559綜采面污風內(nèi)瓦斯含量突增。除此以外，在工作面回采初期，尚未開展采空區(qū)密閉與抽采作業(yè)，使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯無法充分釋放，這也是工作面內(nèi)瓦斯超限的原因之一。因此，為治理2-2-559工作面瓦斯超限問題，在經(jīng)收集多方實驗效果后，后期決定采用“順層鉆孔負壓抽采+底抽巷穿層鉆孔抽采+采空區(qū)埋管”等綜合治理瓦斯措施。

圖1 2-2-559綜采面平巷布置

1.2 綜采面瓦斯來源與治理措施

1.2.1 順層鉆孔負壓預抽瓦斯

由于辛置煤礦2#煤層內(nèi)瓦斯賦存含量較高，煤層透氣性又遠低于一水平煤層。為防止2-2-559經(jīng)綜采面回采期間出現(xiàn)瓦斯涌出風險，向開采煤層開鑿順層鉆孔并實施負壓抽采，達到提前降低瓦斯壓力的目的。根據(jù)煤層實際地質(zhì)情況，鉆孔布置在進風、回風平巷內(nèi)，采用“兩堵一注”的方式進行封孔作業(yè)[4]，鉆孔參數(shù)和封孔工藝見表1。

表1 鉆孔參數(shù)與封孔工藝

1.2.2 底抽巷抽采卸壓瓦斯

當2-2-559綜采面向上山方向推進，受上覆巖層周期性垮落影響，在煤層頂板上方形成頂板冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[5]，形成范圍較大的瓦斯卸壓區(qū)。因此，額外開掘底抽巷，并將抽采鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)，也可達到抽采卸壓區(qū)瓦斯的目的。在辛置煤礦，將底抽巷布置在2-2-559綜采面底板內(nèi)，沿底抽巷頂板方向開掘穿層、扇形鉆孔，達到抽采卸壓區(qū)瓦斯的目的，底抽巷參數(shù)見表2。

表2 底抽巷參數(shù)

1.2.3 采空區(qū)埋管和密閉治理瓦斯

為治理垮落煤層釋放瓦斯，在采空區(qū)中，提前埋設(shè)抽采管路，從而防止上隅角處瓦斯?jié)舛瘸?。在埋管措施中，沿平巷非開采幫布置1排直徑250 mm的負壓抽采管路，管路每間隔20 m設(shè)有三通閥和邁步管。當頂板垮落后，自然埋入采空區(qū)內(nèi)。除上述措施外，還使用擋風簾和密閉墻對瓦斯進行遮擋，以增大采空區(qū)瓦斯擴散阻力。最后，所抽采瓦斯經(jīng)管路排放至地面抽采站。

2 綜采面內(nèi)瓦斯治理效果

2.1 順層鉆孔抽采瓦斯情況

為考察順層鉆孔抽采瓦斯效果，分別采集了2-2-559綜采面進、回風平巷鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群土髁?，不同抽采時間下瓦斯流量與濃度效果如圖2所示。

圖2 進、回風平巷內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

如圖2（a）所示，在綜采面推進期間，進風巷順層鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?12%～33.2%之間變化，瓦斯平均濃度為25.72%。鉆孔內(nèi)瓦斯流量約為1.068 m3/min～8.96 m3/min，平均流量約為4.25 m3/min。圖2（b）中，回風平巷內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛仍?3.2%～33.6%之間變化，平均濃度為18.52%，瓦斯平均流量為3.12 m3/min。使得鉆孔的提前施工和抽采時間對局部、異常高瓦斯賦存治理有較好效果。在綜采面回采前，取樣測試殘余瓦斯含量，從16.7 m3/t降低至 5.78 m3/t，對保護人員和安全回采起到重要作用。

2.2 底抽巷內(nèi)瓦斯抽采效果

為考察穿層鉆孔抽采效果，自2017年1月起底抽巷開始使用，穿層鉆孔內(nèi)瓦斯流量與濃度變化如圖3所示。

圖3 底抽巷內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

自2-2-559綜采面開始回采，在穿層鉆孔瓦斯統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，瓦斯變化趨勢與順層鉆孔內(nèi)瓦斯有明顯不同。在抽采初期，煤層內(nèi)推進距離較短，上覆巖層頂板垮落范圍較小，最終導致頂板巖層卸壓效果較差。此時，底抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葍H為 6%，瓦斯純流量為16 m3/min。當工作面推進距離超過200 m后，伴隨老頂?shù)闹芷谛钥迓?，在頂板與穿層鉆孔內(nèi)形成良好的裂隙通道。此時，穿層鉆孔逐漸進入高效抽采階段，使得臨近采煤空間內(nèi)剩余瓦斯快速向穿層鉆孔內(nèi)流動，促使鉆孔內(nèi)抽采瓦斯含量快速增加，瓦斯?jié)舛扰c流量分別穩(wěn)定在18%和26 m3/min。由此可見，底抽巷對防治臨近層瓦斯和向采空區(qū)內(nèi)瓦斯匯集有較好效果。

2.3 采空區(qū)埋管和密閉抽采效果

采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)管路內(nèi)瓦斯含量的統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 采空區(qū)埋管內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

由圖4可知，隨著上覆巖層的不斷破壞，采空區(qū)埋設(shè)管路內(nèi)瓦斯?jié)舛扰c流量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。當瓦斯?jié)舛冗_到峰值后，逐漸趨于穩(wěn)定。采空區(qū)內(nèi)瓦斯匯集主要是由遺落散煤所釋放，因此，在抽采初期，瓦斯?jié)舛扰c流量明顯低于其他措施。當回采進入老頂穩(wěn)定來壓階段后，采空區(qū)內(nèi)散落煤炭量與臨近空間內(nèi)瓦斯的提高，需額外開展密閉作業(yè)，封堵瓦斯向綜采面擴散來源。整個抽采期間，采空區(qū)埋管抽采瓦斯?jié)舛?.2%～0.5%之間，平均為0.3%。

當辛置煤礦采用瓦斯綜合治理方式后，工作面煤炭產(chǎn)量顯著提高。以2-2-559綜采面回采效率提高5%（300個工作日）計算，則綜采面年產(chǎn)可增加煤炭產(chǎn)量1.8萬t。采用綜合瓦斯治理方式后，可明顯提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)辛置煤礦 2-2-559綜采面地質(zhì)賦存情況，在已有瓦斯治理措施基礎(chǔ)上，通過井下綜采面瓦斯綜合措施的聯(lián)合應用，提高了煤層內(nèi)瓦斯治理效果，減少了工作面處瓦斯超限威脅，提高了煤炭資源回采率。

（2）辛置煤礦在綜采面初期通過負壓鉆孔抽采、采空區(qū)埋設(shè)管路和密閉抽采的方法，達到了提高抽采瓦斯?jié)舛扰c流量的目的。煤層內(nèi)初始瓦斯含量已由17.5 m3/t降低至6.85 m3/t；底抽巷平均抽采瓦斯?jié)舛葹?7.21%，平均流量為39.74 m3/min；采空區(qū)埋管平均抽采瓦斯?jié)舛葹?.23%，平均純流量為0.54 m3/min，瓦斯抽采效果明顯。