坪上煤業(yè)礦井瓦斯治理技術(shù)研究

張?zhí)煜?王旭東

(山西晉煤集團坪上煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048203)

山西晉煤集團坪上煤業(yè)有限公司(以下簡稱:坪上煤業(yè))位于山西省沁水縣端氏鎮(zhèn)曲堤村,井田面積為9.4 km2,生產(chǎn)能力為9×105t/a,批準開采3#～15#煤層,地質(zhì)儲量達8.8×107t,可采儲量為3.6×107t,服務年限28.5 a,可采煤層為3#、15#。3#煤可采儲量為2.7×107t,服務年限為21.7 a,煤層厚度4.4～6.6 m,平均5.3 m。坪上煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井,絕對瓦斯涌出量為334 m3/min,相對瓦斯涌出量為180 m3/min,其中抽采量為287 m3/min,風排量47 m3/min;3#煤層瓦斯含量為16.61～17.12 m3/t,煤的堅固性系數(shù)為1.71～1.88,煤層透氣性系數(shù)為7.16～9.71 m2/(MPa2·d),煤層具有堅固性系數(shù)高、瓦斯含量大、透氣性好、易抽采等特點。

1 綜采工作面和掘進工作面瓦斯抽采

地面瓦斯抽采共有地面鉆井57口,目前在抽30口,日抽采瓦斯8×104m3,抽采的瓦斯體積分數(shù)達70%,影響區(qū)域內(nèi)煤體瓦斯含量每年降低1～1.5 m3/t。

1.1 綜采工作面瓦斯抽采方法

1.1.1綜采工作面瓦斯抽采

瓦斯治理模式分為綜采工作面圈定前和綜采工作面圈定后。在綜采工作面圈定前地面鉆井預抽基礎(chǔ)上,進行順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯(遞進孔);綜采工作面圈定后進行順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯(采面順層鉆孔)。千米鉆孔為圈定前鉆孔(遞進孔),普通鉆孔為圈定后鉆孔,綜采工作面抽采鉆孔設(shè)計如圖1所示。

圖1 綜采工作面抽采鉆孔設(shè)計圖Fig.1 Design of drillingboreholes for fully-mechanized mining face

圈定前:進行順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯;圈定后:進行順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯。

抽采效果:2305綜采工作面遞進孔進尺為84 km,普通孔進尺為174 km,噸煤進尺0.11 m/t。累計抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。

1.1.2采空區(qū)瓦斯抽采

采空區(qū)瓦斯治理模式分為高位鉆孔和閉墻插管。高位鉆孔裂隙帶抽采基于錢鳴高院士的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶3帶理論[1],將高位孔水平段施工在裂隙帶中,在瓦斯的自浮力和負壓的共同作用下,抽采采空區(qū)上方的瓦斯。

層位選擇:一般認為,裂隙帶位于6～8倍的采高位置[2-3],坪上煤業(yè)初采鉆孔選擇18 m層位,其余鉆孔選擇12～15 m的層位。如果鉆孔在冒落帶,則混量大、負壓低、濃度低、純量小、效率差。如果施工在彎曲下沉帶,則混量小、負壓高、濃度高、純量小、效率差。只有施工在裂隙帶,才能使鉆孔充分發(fā)揮作用,體現(xiàn)出負壓損失小、濃度高、流量大、抽采效果好等優(yōu)點。

孔深的控制:已有研究表明,采空區(qū)瓦斯抽采孔孔深控制在200～300 m范圍內(nèi)較為合理[4],過深則負壓損失大,影響抽放效果,過淺抽放效果好,但成本較高。

抽采范圍:每個鉆場至少施工4個鉆孔,鉆孔水平間距為15 m,控制采面60 m寬度。每組鉆孔之間要有水平重疊段,保證鉆孔順利接替。抽采效果:2305采面輔助切眼在抽鉆場日抽采瓦斯量為(1.5～2)×104m3,鉆孔抽采瓦斯體積分數(shù)60%～80%,上隅角瓦斯穩(wěn)定。

定向高位鉆孔設(shè)計示意圖如圖2所示。

圖2 定向高位鉆孔設(shè)計示意圖Fig.2 Design of directional high-level drilling boreholes

1.1.3閉墻插管改變上隅角瓦斯流向

在回風順槽閉墻上預埋兩根457 mm管路,采面推過橫川后,打開閥門,實施閉墻插管抽放,閉墻處形成負壓區(qū),改變上隅角瓦斯流向,避免采空區(qū)瓦斯向上隅角涌出。閉墻插管改變上隅角瓦斯流向示意圖如圖3所示。

圖3 閉墻插管改變上隅角瓦斯流向示意圖Fig.3 Gas flow direction in upper corners changed by tubes in closed wall

抽采效果:兩臺2BEC72泵擔負閉墻插管抽采,抽采混量約500 m3/min,日抽采瓦斯純量約3×104m3。關(guān)鍵技術(shù):合理控制各閉墻的管路閥門,使上隅角后方第一道閉墻管路閥門呈90°打開狀態(tài),其余根據(jù)情況打開5°～10°，控制閉墻前無瓦斯積聚即可；由于橫川之間距離過遠或上隅角后方垮落太實,上隅角處向采空區(qū)流動的瓦斯流向不明顯時,可在回風巷增阻。

1.1.4綜采工作面瓦斯治理效果

綜采工作面實現(xiàn)了U型通風系統(tǒng),采面風量為1 800 m3/min,工作面瓦斯涌出量37.07 m3/min。其中高位鉆孔抽采量11.92 m3/min,閉墻插管抽采量13.91 m3/min,本煤層抽采量2.84 m3/min,風排量8.40 m3/min,瓦斯抽采率為77%。

1.2 掘進工作面瓦斯治理模式

在地面鉆井預抽的基礎(chǔ)上,掘進工作面瓦斯治理模式分為:穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔(區(qū)段遞進孔)預抽區(qū)段煤層瓦斯,順層鉆孔(條帶密集孔)預抽煤巷條帶煤層瓦斯。

1.2.1掘進工作面穿層鉆孔參數(shù)

經(jīng)礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試,3#煤層瓦斯抽采半徑為3.5 m,為避免漏抽,設(shè)計時孔間距適當加密。在底板巖巷,每隔30 m施工1個鉆場,每個鉆場覆蓋煤巷掘進范圍左右各30 m,鉆孔設(shè)置3～5排,每排鉆孔數(shù)15～20個,鉆孔開孔間距0.5 m,終孔間距3～5 m。掘進工作面穿層鉆孔設(shè)計示意圖如圖4所示。

圖4 掘進工作面穿層鉆孔設(shè)計示意圖Fig.4 Design of drilling through layers in the working face

1.2.2掘進工作面區(qū)段遞進孔瓦斯治理措施

方法:在已掘巷道內(nèi)使用千米(定向)鉆機向待掘巷道施工區(qū)段遞進鉆孔。

參數(shù):鉆孔間距5～7 m,孔徑96 mm,鉆孔深度至少超過待掘巷道外幫20 m。

抽采效果:23052/53巷通過采取區(qū)段遞進孔措施,經(jīng)過0.3～0.5 a的抽放,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t,連續(xù)掘進950 m,實現(xiàn)了突出礦井條件下的安全、快速掘進。順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯(遞進孔)鉆孔設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯 (遞進孔)鉆孔設(shè)計示意圖Fig.5 Design of gas drilling (progressive hole) in pre-drainage section in bedding drilling

1.2.3掘進工作面條帶密集鉆孔瓦斯治理措施

方法:在遞進孔不均勻區(qū)域,使用普通鉆機施工密集鉆孔,抽放周期0.2 a。

參數(shù):在目標巷道至少施工正前2個/m2,聯(lián)絡橫川1個/m2,覆蓋外幫至少20 m范圍,鉆孔深度不小于60 m。掘進工作面條帶密集鉆孔設(shè)計示意圖如圖6所示。

圖6 掘進工作面條帶密集鉆孔設(shè)計示意圖Fig.6 Design of strip dense drilling on the driving face

順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯,巷道鉆孔布置方式:自制鉆機增高裝置,分四排均勻布置,上排探頂、下排探底、中間兩排沿著掘進方向施工。

2 礦井瓦斯管理

2.1 注重人防

2.1.1建立以總工程師為首的技術(shù)管理團隊

完善以總經(jīng)理為首的領(lǐng)導機構(gòu)+總工程師為首的技術(shù)管理體系+強化全員防突意識;建立、健全了安全生產(chǎn)責任制體系;完善了礦井“一通三防”管理機構(gòu),配足、配齊“一通三防”專業(yè)技術(shù)人員,配足、配齊“一通三防”技術(shù)裝備。

2.1.2做好礦井通風系統(tǒng)安全管理的制度建設(shè)

礦井通風系統(tǒng)安全管理主要從以下幾方面著手。

1)優(yōu)化礦井安全生產(chǎn)管理機構(gòu)。在對礦井規(guī)模、組織結(jié)構(gòu)、人員裝備及開采條件等因素調(diào)研、分析的基礎(chǔ)上,通過對本礦井開展安全事故統(tǒng)計及事故易發(fā)嚴重程度分析[3],對礦井安全生產(chǎn)管理機構(gòu)進行了進一步的優(yōu)化。

2)優(yōu)化礦井安全生產(chǎn)技術(shù)管理機構(gòu)。建立了權(quán)責分明、獎懲合理的管理制度,鼓勵員工技術(shù)和工藝創(chuàng)新。

3)嚴格貫徹和落實礦井通風管理的規(guī)程和要求。始終堅持和嚴格貫徹《安全生產(chǎn)法》《礦山安全法》《煤礦安全規(guī)程》《防治煤與瓦斯突出細則》和《瓦斯抽采達標規(guī)定》等文件的要求,加大執(zhí)行力度,將隱患消滅于萌芽狀態(tài)。

4)落實“三個換空間”為抓手。以抽采時間換生產(chǎn)空間、以科技創(chuàng)新?lián)Q生產(chǎn)空間、以加大工作量換生產(chǎn)空間,有條不紊地把控和落實生產(chǎn)組織節(jié)奏。

2.1.3提高職工思想和個人素質(zhì)

通過提高職工思想認識,做到全員懂標準、會標準、用標準開展工作。

1)通過開展各級培訓、組織職工外出學習及事故案例展示,讓廣大員工充分認識和了解到各類事故的危害性和嚴重性。礦井各級機構(gòu),尤其是“一通三防”部門,不斷通過管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新,建立了完善可靠的“一通三防”管理體系,加大了瓦斯治理力度,各項規(guī)定(規(guī)程)在現(xiàn)場得到了有效落實。構(gòu)建了礦井瓦斯治理“十二字”工作方針和礦井瓦斯綜合治理“十六字”工作體系,在確保安全的前提下,通過合理組織生產(chǎn),確保了礦井安全生產(chǎn),實現(xiàn)了礦井安全生產(chǎn)效益的最大化。

2)總工程師帶頭,通風副總工程師和通風科長組織通風部門所有管理人員和技術(shù)骨干通過“早碰頭”會開展日常學習,通風部門管理人員和技術(shù)骨干利用每周三學習例會、周四安全例會、班前會等會議形式向職工進行宣傳,做到縱向培訓、以點帶面、全員覆蓋、全員素質(zhì)提高。

2.2 注重物防

2.2.1科學制定通風系統(tǒng),確保通風充足

礦井選用AGF606-2.82-1.58-2型通風機,一用一備,電機功率:1 600 kW,運行角度:-5°,運行負壓為2.45 kPa,風量為17 500 m3/min,運行平穩(wěn)可靠。工作面通風雙U型通風技術(shù)是經(jīng)過改善后的通風系統(tǒng),優(yōu)點是風量大,可以為采掘工作人員提供充足的氧氣,風量輸送及時且方便快捷,在井下使用時運行的效果較好。

2.2.2科學高效的抽采系統(tǒng)

抽放系統(tǒng)裝4臺2BEC72水環(huán)泵,通過三用一備的運行方式,目前運行負壓40 kPa,抽采瓦斯體積分數(shù)38%,日抽采瓦斯量2.8×105m3。采空區(qū)泵站安裝5臺2BEC72型水環(huán)真空泵,四用一備運行。其中兩臺為綜采工作面上隅角尾部采空區(qū)專用抽采系統(tǒng),目前運行負壓22 kPa,抽采瓦斯體積分數(shù)為4%～5%,日抽采瓦斯量約3×104m3。另外兩臺用于其他采空區(qū)抽采,目前運行負壓20 kPa,抽采瓦斯體積分數(shù)為10%～12%,日抽采瓦斯量約8×104m3,抽采能力充足可靠。

2.2.3建立煤礦井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》(AQ1029-2019)和《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測儀器使用管理規(guī)范》(AQ1029-2019)等規(guī)程和標準要求,落實各類監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的安設(shè);建立健全安全監(jiān)控系統(tǒng)管理規(guī)章制度,配備足夠的、合格的專業(yè)技術(shù)人員,不斷加強監(jiān)控系統(tǒng)的日常維護和管理工作,保障系統(tǒng)的正常運行;定期對各類監(jiān)控設(shè)施進行校準,保證其運行和精度的可靠性;通過不斷完善預警體系,構(gòu)建了安全預警管控機制和網(wǎng)絡運行管理體系,充分發(fā)揮其監(jiān)測、管控和預警功能,提高了礦井應急處置能力,使其真正成為瓦斯治理的千里眼和順風耳。

2.2.4完善礦井災害應急設(shè)施

坪上煤業(yè)在盤區(qū)大巷建設(shè)了永久避難硐室,在采掘工作面每500 m處建設(shè)一座臨時避難硐室。采掘工作面、打鉆地點及臨時作業(yè)地點均安裝了壓風自救裝置。掘進工作面安設(shè)了兩道防突反向風門。為井下所有職工配備了隔絕式化學氧自救器,并在西軌、西輔兩條進風大巷建設(shè)了自救器補給站,滿足避災要求并建有瓦斯抽采泵站和主通風機房。

2.3 技能防治

根據(jù)采掘工作面測定的煤層瓦斯參數(shù),本文選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟合理、效果可行的區(qū)域防突措施和局部防突措施，并開展有針對性的瓦斯抽采設(shè)計。經(jīng)審定后的抽采設(shè)計,在施工過程中將嚴格按照設(shè)計執(zhí)行，從而實現(xiàn)瓦斯抽采最大化[1,4]。技術(shù)人員認真開展瓦斯抽采效果評價工作,建立科學、完善的瓦斯抽采評價指標,構(gòu)建了合理的瓦斯抽采單元,并進行分單元效果評價，從而防止出現(xiàn)抽采空白帶[5-8]。

3 結(jié)論

綜采工作面瓦斯抽采圈定前進行順層鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯,圈定后進行順層鉆孔預抽回采區(qū)域煤層瓦斯,累計抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。通過在已掘巷道內(nèi)使用千米(定向)鉆機向待掘巷道施工區(qū)段遞進鉆孔進行瓦斯治理,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t。在遞進孔不均勻區(qū)域,使用普通鉆機施工密集鉆孔,進行掘進工作面條帶密集鉆孔瓦斯治理。此項實踐可借鑒應用于突出礦井的瓦斯防治中,能夠起到快速消突,預防突出事故,從而促進安全生產(chǎn)。

通過人防、物防、技防等促進了礦井災害預防系統(tǒng)的不斷完善,提高了災害應急處理水平,進一步夯實提升煤礦安全管理水平。本文通過管理創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新,建立了完善可靠的“一通三防”管理體系,加大了瓦斯治理力度,各項規(guī)定(規(guī)程)在現(xiàn)場得到了有效落實。