無均壓條件下瓦斯治理技術研究

郭艷軍(同煤集團忻州窯礦,山西 大同037003)

1 前言

均壓通風技術是通過礦井通風調(diào)節(jié)設施,使井下均壓區(qū)域的壓力始終高于礦井全風壓,從而解決在回采過程中上覆采空區(qū)有害氣體下泄導致的工作面有害氣體隱患[1-2]。隨著科技的進步以及對井工煤礦現(xiàn)場安全管理的提升,均壓通風技術的弊端正在逐步顯現(xiàn)。2019 年12 月5 日國家煤礦安全監(jiān)察局黨組書記、局長黃玉治在朔州恒寶源煤礦調(diào)研講話時指出,要大力推廣瓦斯抽采工藝,逐步取消均壓通風系統(tǒng)。同煤集團忻州窯礦通風區(qū)積極行動先試先行,在保證回采工作面安全生產(chǎn)的前提下,14-3#層東二盤區(qū)8304 工作面采取多項措施成功取消均壓系統(tǒng),工作面回采期間各類氣體保持在安全標準濃度范圍內(nèi),上隅角未發(fā)生瓦斯、一氧化碳超限和低氧現(xiàn)象?；?304 工作面取消均壓通風系統(tǒng)的成功經(jīng)驗,經(jīng)過梳理總結(jié),形成研究報告,供同類型礦井逐步取消均壓通風系統(tǒng)提供借鑒。

2 工作面概況

忻州窯礦14-3#層東二盤區(qū)8304 工作面設計長度398 m,可采長度331 m,傾向長度165 m,煤層厚度2.7 ～4 m,平均厚度3.3 m,采用一次采全高采煤工藝。工作面煤層為復雜結(jié)構,成一單斜,煤層傾角為1°～3°、平均2°,煤厚2.70～6.10 m,平均3.70 m;局部賦存1 ～2 層夾石,厚度0.2 ～0.8 m。工作面煤層上方43 ～53 m 為11-2#層東二盤區(qū)8302、8304 面采空區(qū),402 盤區(qū)8201、8203、8205 面采空區(qū)。根據(jù)14-3#層東二盤區(qū)8304 工作面已掘巷道資料和坑道透視探測,8304 工作面揭露的異常區(qū)在本次探測分析成像圖上均有反應,位于2304 巷切眼往外45 ～70 m、5304 巷切眼往外25 ～70 m 異常最為突出,該異常區(qū)根據(jù)巷道揭露資料5304 巷存在多個斷層,2304 巷存在多個沖刷,分析該異常區(qū)為構造帶,另工作面局部還存在多個沖刷和斷層。14-3#層東二盤區(qū)8304 工作面在回采過程中,當工作面初次來壓、“見方”及周期來壓時,有發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)的可能,主要表現(xiàn)為工作面頂板破碎、煤壁片幫,巷道圍巖變形量大等。工作面采用U 型通風方式,2304 巷為進風巷,其斷面為18 m2;5304 巷為回風巷,其斷面為15 m2。計劃風量為1 200 m3/min,實際風量1 400 m3/min 左右。

通過對8304 工作面瓦斯來源分析,主要為上覆采空區(qū)和本煤層煤體瓦斯。上覆采空區(qū)觀察孔氣體連續(xù)取樣分析結(jié)果見表1。

表1 上覆采空區(qū)觀察孔氣體連續(xù)取樣分析結(jié)果

根據(jù)礦井2019 年瓦斯測定結(jié)果,綜采工作面瓦斯絕對涌出量1.51 m3/min;相對涌出量1.98 m3/t。

3 瓦斯治理措施

3.1 礦井主扇全負壓引流

在8304 回風順槽從工作面上隅角沿回風巷經(jīng)回風繞道向東二盤區(qū)總回風巷鋪設直徑600 mm 的伸縮硬質(zhì)風筒對上隅角瓦斯進行釋放。

8304 工作面上隅角和東二盤區(qū)總回壓差約為100 Pa 左右,利用壓差,通過在8304 工作面回風順槽布置兩趟直徑600 mm 的硬質(zhì)風筒,風筒吸風口伸入工作面尾部端頭架后立柱以里2 m 左右,風筒出風口經(jīng)工作面繞道進入東二盤區(qū)總回風中,將上隅角從頂板往下2 m 范圍的氣體引至東二盤區(qū)總回風巷。

為避免風筒內(nèi)通風阻力影響排風量,風筒必須吊掛平直,盡量減少起伏,風筒經(jīng)繞道進入總回風時,拐彎角度不宜小于100°,使風筒以平滑的曲線拐彎,降低風筒內(nèi)的風阻。另外,風筒進入盤區(qū)總回的出風口,應設置在回風巷內(nèi)斷面合理且風速較大處,可增加風筒風量,效果更好。兩趟風筒排風量合計150 m3/min 左右,使用礦井主扇全負壓引流方法排放后,可減少上隅角瓦斯?jié)舛?.2% ～0.3%。

3.2 利用封堵氣囊對頭、尾端頭進行封堵

使用封堵氣囊對8304 工作面頭、尾端頭進行封堵。通過查閱相關資料[3-5],根據(jù)現(xiàn)場實際情況定制了快速封堵氣囊,具體如圖1所示,利用工作面壓風管路,在10 min 之內(nèi)即可完成端頭封堵,且封堵氣囊可重復使用,較傳統(tǒng)沙袋式封堵,有效提高封堵效率,降低勞動強度,減少影響生產(chǎn)時間,降低生產(chǎn)成本。使用封堵氣囊后,上隅角漏風降低至15 m3/min,后古塘有害氣體大部分經(jīng)負壓風筒排出,上隅角氧氣濃度基本穩(wěn)定在19% ～20%。

圖1 C 型氣囊外形圖

3.3 引進新型壓風引射流器

通過現(xiàn)場調(diào)研查閱相關資料了解到壓風引射流器在礦井有害氣體治理以及粉塵防治等方面效果顯著,此設備以壓縮空氣為動力源,以“文丘里效應”作為基本原理,在特殊設計的環(huán)向空間使壓縮空氣迅速膨脹和流速提高[6-7]。所以,在此作用下可產(chǎn)生低壓和負壓而進入設備的空腔,使壓縮空氣和誘導吸入的氣體混合之后在增壓管內(nèi)擴散,然后高速噴射出去,誘導進入的有害氣體可超過17 倍以上壓縮空氣體積。為了進一步治理上隅角瓦斯,我們購置了兩臺壓風引射流器,一用一備。布置了專用壓風管路,安裝使用后,引射流器吸風口風量可達到40 ～50 m3/min,使上隅角瓦斯?jié)舛冗M一步下降了0.1%左右。具體采用的引射流器技術參數(shù)見表2,結(jié)構如圖2所示。

圖2 引射流器結(jié)構圖

表2 引射流器參數(shù)

3.4 利用相鄰采空區(qū)密閉的措施孔、觀測孔、排水孔

為防止8304 工作面回采過程中,煤柱因頂板壓力產(chǎn)生裂隙導致8306 工作面采空區(qū)瓦斯從8304 工作面上隅角涌出。提前利用8306 巷密閉的觀察管、注漿管以及排水管連接管路對采空區(qū)有害氣體進行負壓釋放。具體8306 巷密閉上觀察管、注漿管以及排水管布置情況如圖3所示。

圖3 密閉上觀察管、注漿管以及排水管布置圖

3.5 籌建瓦斯抽放系統(tǒng)

解決瓦斯問題的根本對策在于瓦斯抽放,忻州窯礦積極組織籌建瓦斯抽放系統(tǒng)。改造原8306 均壓硐室為抽放硐室,抽放硐室噴漿80 m,抽放硐室砌筑容積90 m3過濾冷卻池,原抽放硐室內(nèi)設備出井,上井的抽瓦斯泵大修,整定電氣設備,購買管道監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、三防裝置、除渣裝置、負壓防水器,購置并鋪設抽放管路1 000 m?；謴驮咚钩榉畔到y(tǒng)的2 臺ZWY110/160 型瓦斯抽放泵,另外協(xié)調(diào)一臺ZWY160/200G 型瓦斯抽放泵。所有抽放泵修理穩(wěn)裝、管路鋪設、硐室建設、系統(tǒng)試運行均在2 個月內(nèi)完成。瓦斯抽放系統(tǒng)建成后,通過上隅角與上覆采空區(qū)各種抽放效果對比實驗,發(fā)現(xiàn)8304 工作面在采煤過程中實施上隅角抽放效果最優(yōu)。

4 綜合措施實施效果

8304 工作面通過6 個月回采期間的氣體數(shù)據(jù)分析:利用全風壓導出式排放,風筒出風口的瓦斯為0.6% ～ 1.5%,使上隅角瓦斯?jié)舛认陆?.2% ～0.3%;封堵氣囊封堵兩端頭,使上隅角氧氣濃度上升2.5% ～3.5%;抽出式引射流器,使上隅角瓦斯?jié)舛认陆?.1%左右;上覆采空區(qū)釋放及相鄰采空區(qū)釋放,釋放口瓦斯?jié)舛葹?.4% ～1.2%,使本工作面上隅角瓦斯?jié)舛认陆?.1%左右;瓦斯抽放泵抽放,抽放出口瓦斯?jié)舛?.8% ～1.8%,使上隅角瓦斯?jié)舛认陆?.1%左右。

8304 工作面作為取締均壓的試點工作面,通過實施以上五項綜合措施治理,從開采至停采,上隅角及回風巷氣體濃度均保持在安全標準濃度范圍之內(nèi),上隅角瓦斯?jié)舛仍?.1% ～0.7%,氧氣濃度為19% ～20%。經(jīng)8304 工作面開采實踐證明,作為取締均壓系統(tǒng)所采取的一系列治理措施,取得顯著效果。

5 結(jié)論

為了提高礦井瓦斯治理能力,減少甚至取消均壓通風應用,忻州窯礦在8304 工作面采用采取綜合瓦斯治理措對瓦斯進行治理?，F(xiàn)場應用后采面各位置瓦斯?jié)舛染诎踩秶鷥?nèi),可確保煤巖回采安全。研究成果可為礦井其他工作面瓦斯治理提供經(jīng)驗借鑒。