鎮(zhèn)城底礦22618工作面瓦斯治理效果分析

謝志宏

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053)

0 引言

安全生產(chǎn)是煤礦的重中之重，采煤工作面瓦斯又是影響回采的重要因素，造成瓦斯含量高的原因多種多樣，主要有開采煤層、煤壁處以及鄰近煤層和采空區(qū)瓦斯的涌出，其中，采空區(qū)又是瓦斯涌出的主要來源，各種因素作用下，工作面瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)以下規(guī)律：進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)瓦斯含量最低，工作面和回風(fēng)巷處瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)遞增的趨勢，因為瓦斯密度較小且巷道上隅角處為通風(fēng)死角，所以造成上隅角及回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯含量較高，上隅角的瓦斯治理一直是熱點[1-3]。文中針對鎮(zhèn)城底礦22618工作面上隅角瓦斯含量超標(biāo)的現(xiàn)象，提出了頂板高位鉆孔配合封閉式埋管抽采的方案，現(xiàn)場應(yīng)用效果證明，回風(fēng)巷道及上隅角處瓦斯含量都滿足安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的應(yīng)用效果。

1 工作面瓦斯涌出分析

礦井瓦斯涌出量的大小直接影響工作面瓦斯治理方法的制定，合理制定瓦斯治理方案時，必須了解瓦斯涌出的原因?，F(xiàn)有研究表明，工作面回采造成的落煤、煤壁及采空區(qū)瓦斯涌出是造成瓦斯含量超標(biāo)的主要原因[4-6]。

1.1 瓦斯涌出原因分析

對于回采造成的工作面瓦斯涌出而言，隨著開采深度及開采范圍的增加，瓦斯涌出量也逐漸增大，一般而言，首先，開采的煤層瓦斯涌出量較大，開采造成了煤層內(nèi)部瓦斯氣體的釋放，臨近煤層在采動影響下出現(xiàn)裂紋，瓦斯通過裂縫涌出至工作面；其次，不同開采方法、煤層頂?shù)装鍘r性下瓦斯涌出規(guī)律也有差異。如果礦井采用抽出式通風(fēng)，工作面瓦斯含量會隨著抽出式通風(fēng)風(fēng)壓的增大而增加，因此會造成工作面和采空區(qū)的風(fēng)壓失衡，高壓區(qū)的瓦斯會向低壓區(qū)流動，直至風(fēng)壓重新平衡[7]。

除采動影響外，自然因素是影響瓦斯涌出的又一重要因素，瓦斯含量高的地方瓦斯涌出量就大，在回采影響下，加劇了瓦斯涌出，造成瓦斯含量較高。

1.2 工作面上隅角瓦斯來源分析

根據(jù)瓦斯涌出分析，上隅角瓦斯含量受到自然因素和采動因素的共同影響，煤層內(nèi)部瓦斯、臨近煤層以及采空區(qū)瓦斯共同作用，致使瓦斯涌出量較高，因為上隅角通風(fēng)不足，因此密度較小的瓦斯聚集，根據(jù)瓦斯來源的不同對工作面上隅角瓦斯進(jìn)行治理方案的制定是最直接、最有效的方法[8]。

2 抽采方案設(shè)計

2.1 22618工作面抽采概況及設(shè)想

本次抽采方案的設(shè)計是基于22618工作面平均瓦斯涌出量，實際生產(chǎn)經(jīng)驗可得，工作面在生產(chǎn)期間的平均瓦斯量達(dá)到20 m3/min，為了保證安全生產(chǎn)，需進(jìn)行人工干預(yù)確保平均瓦斯抽采率達(dá)到16 m3/min，根據(jù)2008年出版的《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范》，抽采管中瓦斯的流量與干管瓦斯抽采濃度的乘積等于瓦斯抽采純量，其中干管瓦斯抽采濃度取20%，結(jié)合鎮(zhèn)城底礦實際的情況，可以得到瓦斯抽采純量需要達(dá)到80 m3/min，設(shè)計真空泵的抽風(fēng)量為330 m3/min時，方可達(dá)到設(shè)計要求[9]。

由于22618工作面保護(hù)煤柱的寬度僅為6 m，導(dǎo)致在回采的過程中巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，在進(jìn)行鉆孔的過程中，忽略巷道底鼓方向區(qū)域，且需注意鉆孔施工過程中造成的巖層坍塌現(xiàn)象，本次鉆孔施工范圍為回風(fēng)大巷，距離回風(fēng)大巷約30 m的位置施工一個寬為3 m、高為2 m、坡度∠250°的上山，當(dāng)掘到煤層約3 m的位置進(jìn)行鉆孔施工，因為巷道圍巖完整性較差，因此需要進(jìn)行加強支護(hù)，同時加強通風(fēng)，防止鉆孔過程中瓦斯涌出影響安全作業(yè)，鉆孔呈現(xiàn)扇形布置，保證每個鉆孔施工范圍內(nèi)有5個鉆孔[10-12]。

頂板高位鉆孔方案如圖1所示，從圖中可看出，在回風(fēng)巷道內(nèi)每隔一段距離施工一個硐室，硐室高2.4 m，寬和深度都為3 m，每個硐室布置5個鉆孔，開徑孔94 mm，終孔徑94 mm，每個鉆孔的方位偏角分別為0°、10°、15°、20°、25°，對應(yīng)傾角分別為10°、10°、9°、7°、5°，鉆孔間距均為0.5 m，孔深均80 m，開孔位置確保鉆孔距巷道幫不低于1 m。

圖1 頂板高位鉆孔方案示意Fig.1 Layout plan of roof high-level boreholes

頂板高位鉆孔只能解決開采煤層瓦斯涌出問題，不適用于臨近煤層及采空區(qū)瓦斯治理，臨近煤層及采空區(qū)瓦斯涌出量較大、濃度較低，考慮礦井開采工藝及瓦斯涌出特點，采用封閉式埋管抽采，保證采空區(qū)有20 m的抽采管，各抽采管之間的距離為20 m，為了保證抽采效果，在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷中設(shè)置密閉，且保證與抽采管的距離大于5 m，通過加強支護(hù)和三通，確保良好的抽采效果[13-14]，抽采示意如圖2所示。

2.2 22618工作面具體設(shè)計方案

工作面回采工作結(jié)束且保證密封后，臨近煤層以及采空區(qū)的瓦斯還是會源源不斷地涌入開采工作面，最終導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛容^高，其中采空區(qū)是瓦斯涌入的主要來源，為了避免采空區(qū)瓦斯向工作面涌入，及時的密閉是必要的措施，對于本礦而言，將開采后的工作面進(jìn)行永久性密封，此外，施工盡量選擇在頂板較為堅硬的煤巷中，保證有兩道厚度不小于1 m的施工密閉墻，密閉墻之間用細(xì)砂充填，對于進(jìn)入巷道的掏槽深度需大于0.3 m，通過布置在密閉墻上的管道對采空區(qū)氣體進(jìn)行實時監(jiān)測[15]。

工作面通風(fēng)系統(tǒng)是根據(jù)開采工藝及瓦斯涌出等狀況共同確定，22618工作面采用U型通風(fēng)方式，其優(yōu)點在于隨著工作面回采工作的進(jìn)行，工作面漏風(fēng)較少，風(fēng)流穩(wěn)定，但是為了解決上隅角通風(fēng)現(xiàn)狀，必須采取相應(yīng)的調(diào)風(fēng)措施，以減少落煤過程中瓦斯的涌出，因為支架與上下端口之間存在一定的間隙，如果盲目增大通風(fēng)量，將導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量增加，加劇了瓦斯的涌出；減小通風(fēng)量，將會造成上隅角瓦斯積聚增加。

22618工作面回采過程中，通風(fēng)機(jī)通風(fēng)量達(dá)到2 200 m3/min時，瓦斯?jié)舛染S持在0.6%左右，根據(jù)此現(xiàn)象，采取的調(diào)風(fēng)措施如下：適當(dāng)降低風(fēng)壓，使得風(fēng)壓維持在1 700 m3/min左右；調(diào)整工作面附近風(fēng)壓，使得工作面風(fēng)壓略高于采空區(qū)的風(fēng)壓，從而減少采空區(qū)瓦斯的涌出；在工作面附近建立隔風(fēng)措施，尤其是上隅角位置，通風(fēng)建立擋風(fēng)墻等減少采空區(qū)瓦斯的大量涌出。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在上述抽采方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，對鎮(zhèn)城底礦22618工作面進(jìn)行了應(yīng)用，本次主要對工作面回采期間上隅角和回風(fēng)巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了監(jiān)測，得到了工作面回采過程中上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€，如圖3所示。

圖3 工作面回采過程中上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.3 Variation curve of gas concentration in upper corner and return roadway during mining

從圖中可以看出，在監(jiān)測期內(nèi)，上隅角瓦斯?jié)舛茸罡咧禐?.86%，最低為0.42%，瓦斯?jié)舛鹊钠骄禐?.68%，受到采動影響，曲線整體波動較大。分析其原因，采動造成原巖應(yīng)力的改變，臨近煤層在應(yīng)力作用下，試樣孔裂隙發(fā)育不斷擴(kuò)展發(fā)育，為瓦斯的運移提供了通道，因此造成了上隅角瓦斯?jié)舛炔▌臃秶^大，對于回風(fēng)巷道圍巖，瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.52%，最低為0.3%，平均值為0.41%，瓦斯?jié)舛戎嫡w小于上隅角瓦斯?jié)舛戎担咚節(jié)舛惹€變化較為平緩，但是出現(xiàn)小范圍內(nèi)的多次波動，結(jié)合開采工藝，回采過程中，工作面每次落煤工藝時，瓦斯?jié)舛戎刀紩霈F(xiàn)增加的情況?？傮w而言，上隅角及回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛戎刀紳M足安全生產(chǎn)的需求，證明了方案的可行性。

4 結(jié)論

(1)工作面瓦斯含量高是自然因素和采動因素共同影響所致，煤層內(nèi)部瓦斯、臨近煤層以及采空區(qū)瓦斯共同作用致使上隅角瓦斯含量高。

(2)基于鎮(zhèn)城底礦22618工作面瓦斯涌出狀況，采用頂板高位鉆孔和封閉式埋管抽采方案進(jìn)行瓦斯治理。

(3)方案實際實施效果良好，上隅角瓦斯?jié)舛鹊钠骄禐?.68%，回風(fēng)巷道瓦斯?jié)舛鹊钠骄禐?.41%，受采動影響，瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)小范圍的波動，都滿足安全生產(chǎn)的需求。

(4)工作面上隅角瓦斯治理方案僅適用于22618工作面，在鉆孔施工的過程中，還需根據(jù)地質(zhì)條件不斷調(diào)整鉆孔參數(shù)，保證精確鉆孔以達(dá)到治理瓦斯的效果。