1905S 工作面上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)研究及應(yīng)用

趙 坤

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

內(nèi)蒙古福城煤礦1905S 工作面在回采150 m 后，上隅角瓦斯增大，回采300 m 后出現(xiàn)瓦斯涌出異常，上隅角瓦斯超限。在使用分源預(yù)測法預(yù)測瓦斯涌出量基礎(chǔ)上，提出了采用高位裂隙鉆孔抽采、高抽巷抽采與上隅角插管抽采相結(jié)合的方法對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行治理[1-2]。

1 礦井瓦斯基本情況

內(nèi)蒙古福城礦業(yè)有限公司（簡稱福城煤礦）在銀川市東南35 km。福城煤礦井田整體為長方形，煤礦井田東西寬約為5.3 km，南北長約7.4 km，面積約27.702 9 km2，開采標(biāo)高+1050 m～ -250 m，地質(zhì)資源量大約為237.94 Mt。

1905S 工作面走向長為1182 m，傾斜長為150 m；計(jì)劃風(fēng)量1720 m3/min，實(shí)際供風(fēng)量1840 m3/min。

2 1905S 工作面瓦斯涌出量預(yù)測

2.1 回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算公式如下所示：

式中：q1為開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q2為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

2.2 回采面絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

回采煤層工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算方法運(yùn)用本煤層的相對(duì)瓦斯涌出量跟鄰近層的相對(duì)瓦斯涌出量值來獲得。

計(jì)算可以得到瓦斯涌出量數(shù)據(jù)：1905S 綜采工作面本煤層的瓦斯涌出量大約為2.53 m3/t，鄰近層的瓦斯涌出量大約為3.40 m3/t。當(dāng)工作面按4000 t的煤礦日產(chǎn)量來進(jìn)行煤礦生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，本煤層絕對(duì)瓦斯涌出量大約是7.03 m3/min，按比例占總的瓦斯涌出量的42.7%，鄰近層絕對(duì)瓦斯涌出量占總的瓦斯涌出量的57.3%。

3 1905S 工作面瓦斯治理技術(shù)方案

3.1 瓦斯治理技術(shù)選用

通過使用分源預(yù)測法來進(jìn)行瓦斯涌出量的初步預(yù)測，得到1905S 工作面的瓦斯涌出主要來自于鄰近煤層，從而導(dǎo)致了上隅角瓦斯?jié)舛冗^高。高位鉆孔具有抽采時(shí)間長、抽采濃度高等優(yōu)點(diǎn)，均優(yōu)于普通鉆機(jī)抽采。高抽巷抽采技術(shù)能夠?qū)夭晒ぷ髅娴耐咚惯M(jìn)行高位抽放，提高了工作面生產(chǎn)的安全性和效率。上隅角插管抽采技術(shù)是解決瓦斯積聚問題的成熟技術(shù)。因此在綜合考慮分析之后決定采用高位鉆孔抽采、高抽巷抽采與上隅角插管抽采相結(jié)合的治理方法[3]。

3.2 1905S 工作面瓦斯治理方法設(shè)計(jì)

鄰近層瓦斯的大量涌出是1905S 工作面上隅角瓦斯超限的主要因素，在使用合理通風(fēng)方式?jīng)]有解決瓦斯超限問題之后決定采用以下方法來處理。

（1）頂板走向高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯

高位鉆孔抽采技術(shù)原理：通過回采工作面采動(dòng)壓力形成的裂隙作為通道來抽采瓦斯，能夠有效減少上鄰近煤層進(jìn)入回采工作面的卸壓瓦斯，同時(shí)可以利用高位鉆孔的負(fù)壓作用來改變煤層和采空區(qū)的氣體流場，減少煤層和采空區(qū)內(nèi)瓦斯向生產(chǎn)工作面的涌出量和上隅角瓦斯積聚量[4]。此處高位鉆孔抽采主要用于抽放鄰近層涌入采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯。

高位瓦斯抽放鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)原則：鉆孔軸線在回風(fēng)巷方向的投影長度為x；鉆孔終孔點(diǎn)距煤層頂板的鉛垂距離為y。裂隙帶的高度和裂隙帶的可抽高度是抽放高度的決定性因素；鉆孔終孔點(diǎn)在回風(fēng)巷所在水平面垂直投影點(diǎn)到回風(fēng)巷的距離為z。

高位瓦斯抽放鉆孔參數(shù)如圖1。

圖1 高位鉆孔參數(shù)示意圖

冒落帶高度計(jì)算：

通過計(jì)算可知該工作面冒落帶高度為8.3～12.7 m；

裂隙帶高度計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算得到該工作面裂隙帶高度約為33.4～46.5 m。

按照一般高位抽放鉆孔的最佳層位，終孔應(yīng)落在冒落帶上方6～8 m 處。但是，本工作面高位鉆孔主要抽采上覆煤層3 號(hào)、5 號(hào)、8 號(hào)煤層卸壓瓦斯，因此，本工作面設(shè)計(jì)高位鉆孔位于工作面頂板30～50 m，內(nèi)錯(cuò)15～30 m。

鉆孔設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)采用高、中、低三種層位結(jié)合的方式，每個(gè)鉆場施工10 個(gè)鉆孔，相鄰兩個(gè)鉆場的鉆孔壓茬長度不小于50 m，抽采鉆孔覆蓋工作面上部約50 m 范圍，終孔間距5 m。

第6 個(gè)高位鉆場鉆孔設(shè)計(jì)：第六個(gè)鉆場距工作面開切眼1100 m，設(shè)計(jì)第一層3 個(gè)高位鉆孔斜長為223.6～223.9 m，第二層4 個(gè)高位鉆孔斜長為222.5～222.6 m，第三層3 個(gè)高位鉆孔斜長為221.5 m。第一層鉆孔終孔位置位于煤層頂板以上50 m，第二層鉆孔位于煤層頂板以上40 m，第三層位于煤層頂板以上30 m。1905S 第六鉆場高位鉆孔設(shè)計(jì)平面圖如圖2。

圖2 高位鉆孔平面設(shè)計(jì)圖

（2）高抽巷抽放鄰近層卸壓瓦斯

1905S 工作面上方63 m 處有原先布置在3-1 煤中的1304S 綜采工作面，1304S 綜采工作面在回采工程中由于3-1 煤頂板比較破碎，工作面回采難度大，1304S 綜采工作面停止開采，工作面密閉。因?yàn)?304S 工作面運(yùn)輸巷在1905S 工作面的上方，滿足作為1905S 綜采工作面高位抽采巷的條件。

（3）上隅角插管抽放采空區(qū)瓦斯

上隅角插管系統(tǒng)的抽采為開放式的抽采，通過該方式進(jìn)行抽采之后會(huì)在上隅角的空間內(nèi)部形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，上隅角的高濃度瓦斯可以通過抽采插管系統(tǒng)直接排出。

4 1905S 工作面瓦斯治理效果

4.1 高位鉆孔抽采效果

根據(jù)各抽采鉆孔數(shù)據(jù)，第一層高位鉆孔距離煤層頂板10～30 m 時(shí)抽采效果較好，抽采瓦斯?jié)舛?0%～60%；第二層鉆孔距離煤層頂板10～22 m 時(shí)，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在30%以上；第三層鉆孔抽采效果不佳。

通過現(xiàn)場考察驗(yàn)證，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)鉆孔瓦斯抽采效果較好，說明這些鉆孔所穿過的位置裂隙發(fā)育較好。4 號(hào)、5 號(hào)鉆孔位置離回風(fēng)巷較近，受回風(fēng)巷上幫煤壁的支撐作用，裂隙發(fā)育不完整，影響抽采效果。8 號(hào)、9 號(hào)、10 號(hào)鉆孔終孔高度位于煤層頂板以上30 m，其鉆孔瓦斯抽采效果較差主要原因應(yīng)是鉆孔設(shè)計(jì)較長，鉆孔仰角太小，使鉆孔在施工工程中容易偏離設(shè)計(jì)方向。

4.2 1905S 工作面瓦斯治理效果

1905S 綜采工作面回采期間，在運(yùn)用高位鉆孔抽采、高抽巷抽采與上隅角插管聯(lián)合抽采前，工作面回風(fēng)流瓦斯出現(xiàn)異常，上隅角瓦斯日平均值濃度明顯超限，工作面的回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了0.20%～0.35%。在運(yùn)用高位鉆孔抽采、高抽巷抽采與上隅角插管聯(lián)合抽采后，工作面回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛瓤焖傧陆档?.08%～0.28%，工作面的上隅角瓦斯?jié)舛热掌骄迪陆档?.3%～0.45%。圖3 為風(fēng)排、泵站抽放、上隅角插管抽放瓦斯純量的對(duì)比圖。采用該種方式治理1905S 工作面瓦斯取得了顯著效果，解決了回采過程中工作面上隅角瓦斯超標(biāo)的問題。

圖3 風(fēng)排、泵站抽放、上隅角插管抽放瓦斯純量對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過對(duì)1905S 工作面的瓦斯來源和采空區(qū)上方三帶高度進(jìn)行理論分析，研究提出并實(shí)施了綜合治理工作面瓦斯的技術(shù)方案，取得了顯著的效果，可以得出如下結(jié)論：

（1）1905S 工作面高位鉆孔主要抽采上鄰近層卸壓瓦斯，通過10 個(gè)鉆孔抽采效果的分析，最佳抽采位置在距離煤層頂板上方15～30 m，終孔位置內(nèi)錯(cuò)工作面回風(fēng)巷20～30 m。

（2）1905S 工作面在開采過程中，瓦斯涌出量出現(xiàn)異常現(xiàn)象，通過采用高位鉆孔抽采、高抽巷抽采與上隅角插管聯(lián)合抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)，工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆档?.3%～0.45%，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛认陆档?.08%～0.28%，解決了工作面上隅角瓦斯超限問題，消除了瓦斯事故隱患，保證了煤礦的安全開采。