薛國(guó)杰
(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)云廈公司,山西 臨汾 041000)
山西焦煤霍州煤電集團(tuán)騰暉煤業(yè)2-203工作面井下位于2號(hào)煤層二采區(qū),工作面開(kāi)采2號(hào)煤層,煤層平均厚度5.5 m,平均含有一層夾矸,夾矸層以泥巖和炭質(zhì)泥巖為主,平均厚度0.3 m,煤層直接頂和基本頂巖層分別為砂質(zhì)泥巖和砂巖,直接底和基本底巖層分別為泥巖和中砂巖。工作面采用綜放開(kāi)采,采高為2.5 m,循環(huán)進(jìn)度0.6 m,根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知,煤層瓦斯含量為12.12 m3/t,回采工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為14.63 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為12.2 m3/t,礦井屬于高瓦斯礦井,工作面回采前需進(jìn)行瓦斯治理,現(xiàn)為有效解決煤層內(nèi)瓦斯含量高的問(wèn)題,特進(jìn)行瓦斯綜合治理技術(shù)的研究。
基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的瓦斯抽采理論和工程實(shí)踐結(jié)果可知,在進(jìn)行瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)時(shí),主要考慮采掘工作面的布置情況、煤層賦存特征、采掘方法及工藝及瓦斯來(lái)源等因素,現(xiàn)根據(jù)麥捷煤業(yè)礦井地質(zhì)資料可知,2號(hào)煤層工作面回采期間的瓦斯主要來(lái)源于本煤層、鄰近層和采空區(qū),具體各項(xiàng)抽采措施的選擇如下:
1)開(kāi)采煤層瓦斯治理方法:抽采方法主要包括3類,分別為采前預(yù)抽、邊采變抽及強(qiáng)化抽采。采用采前預(yù)抽方案即為工作面回采前,通過(guò)布置抽采鉆孔的方式進(jìn)行煤體內(nèi)瓦斯的提前抽采;即在工作面煤體未進(jìn)行卸壓時(shí)進(jìn)行抽采,該抽采方法對(duì)于透氣性較好的煤層可實(shí)現(xiàn)較好的抽采效果;邊采變抽的瓦斯抽采方法即為在回采作業(yè)時(shí)同時(shí)進(jìn)行本煤層瓦斯的抽采作業(yè),該抽采方式由于前方煤體在采動(dòng)應(yīng)力的影響下會(huì)使得產(chǎn)生卸壓,煤體會(huì)出現(xiàn)一定程度的破碎,進(jìn)而增大煤體的透氣性,可在一定程度上提升瓦斯抽采效率[1-3],根據(jù)工作面地質(zhì)情況可知工作面內(nèi)的瓦斯主要來(lái)源于本煤層,為實(shí)現(xiàn)較好的抽采效果,確定開(kāi)采層瓦斯抽采措施采用采前預(yù)抽措施。
2)鄰近層瓦斯治理措施:在工作面回采期間,由于采掘動(dòng)壓影響會(huì)對(duì)鄰近層產(chǎn)生一定的擾動(dòng),致使鄰近層的瓦斯涌出,需采用抽采的方式對(duì)該部分瓦斯進(jìn)行處理。根據(jù)眾多研究表明,鄰近層瓦斯抽采如果抽采參數(shù)選取得當(dāng),可以達(dá)到很好的效果,抽采率可達(dá)到50%~80%,甚至更高[4-6]。根據(jù)2-203工作面的地質(zhì)條件,2號(hào)煤層鄰近無(wú)煤層,鄰近層瓦斯涌出主要來(lái)源于煤層頂?shù)装鍘r層,確定采用沿2號(hào)煤層頂板施工高抽巷抽采2-203工作面鄰近層及現(xiàn)采空區(qū)瓦斯。
3)采空區(qū)瓦斯抽采:根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知,礦井總體的瓦斯涌出量中,采空區(qū)的瓦斯涌出量占到35%,為實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)瓦斯的有效治理,設(shè)計(jì)采用全封閉抽采的方式,進(jìn)行瓦斯抽采,采空區(qū)封閉抽采作業(yè)時(shí),對(duì)抽采管路中的指標(biāo)氣體(C O和O2濃度)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7-8]?;谏鲜龇治?,確定2-203工作面采用全封閉抽采的方式進(jìn)行老采空區(qū)瓦斯的治理。
基于上述瓦斯抽采方法的分析結(jié)果,結(jié)合工作面煤層瓦斯賦存特征,確定2-203工作面瓦斯綜合治理措施為本煤層預(yù)抽+高抽巷抽采+全封閉抽采采空區(qū)瓦斯相結(jié)合的瓦斯治理措施,具體各項(xiàng)抽采措施如下:
1)本煤層預(yù)抽。根據(jù)2號(hào)煤層透氣性屬可抽采煤層,工作面長(zhǎng)205 m,煤層平均厚度5.50 m,確定選擇平行鉆孔;鉆孔預(yù)抽方法為在工作面回風(fēng)順槽垂直巷道壁向煤體施工鉆孔,工作面回采前進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽,抽采鉆孔布置參數(shù)及布置形式分別如表1和圖1所示。
圖1 本煤層預(yù)抽鉆孔布置形式示意圖
本煤層預(yù)抽鉆孔采用“兩堵一注”封孔方式,具體囊袋式帶壓注漿封孔法中裝置結(jié)構(gòu)及封孔原理如圖2所示。
圖2 囊袋式帶壓注漿封孔法原理圖
2)高抽巷抽采。根據(jù)2號(hào)煤層的賦存特征可知,2號(hào)鄰近無(wú)煤層,故而2號(hào)煤層工作面回采期間不會(huì)出現(xiàn)鄰近煤層瓦斯涌出的現(xiàn)象,所以,高抽巷抽采的瓦斯來(lái)源主要為上隅角及采空區(qū)落煤殘存瓦斯,設(shè)置高抽巷沿2號(hào)煤層頂板3 m布置,斷面為矩形,巷寬3.5 m,巷高2.7 m,凈斷面積為9.45 m2。沿工作面推進(jìn)方向掘進(jìn)高抽巷至開(kāi)切眼前方,水平位置布置于距回風(fēng)順槽32 m左右,以達(dá)到最優(yōu)方式抽采工作面上隅角瓦斯作用。
3)全封閉抽采采空區(qū)瓦斯。為了防止采空區(qū)瓦斯向礦井和采掘空間涌出,進(jìn)行老采空區(qū)瓦斯抽采。在密封采空區(qū)時(shí),打密閉墻向采空區(qū)內(nèi)插管,即工作面采取全封閉巷道法抽采采空區(qū)瓦斯,具體全封閉抽采方式如圖3所示。
圖3 全封閉采空區(qū)瓦斯抽采示意圖
全封閉采空區(qū)抽采瓦斯作業(yè)時(shí),抽采方案中主要設(shè)置有密閉墻和抽采管路,密閉墻主要為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)與回采空間的隔離,防止采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌向工作面內(nèi),采空區(qū)密閉墻采用建筑用磚和料石堆砌而成,墻體總厚度為2.5 m,在墻體砌筑完成后,為充分實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的密閉,在巷道四周挖0.4 m的溝槽,采用料石和素土夯實(shí),將瓦斯抽采管路布置在密閉墻上部,距密閉墻頂板500 mm,在抽采管路下部布置觀測(cè)管路,以確保采空區(qū)瓦斯抽采效果,采空區(qū)瓦斯抽采管路采用交替邁步式,抽一路,預(yù)埋一路,即預(yù)埋管路進(jìn)入老塘9 m之后進(jìn)行聯(lián)管抽放,將18 m在抽管路甩掉,同時(shí)再預(yù)埋一趟管路。
2-203工作面在采用上述瓦斯綜合治理措施時(shí),分別在各項(xiàng)措施實(shí)施時(shí)進(jìn)行瓦斯抽采量的記錄分析,根據(jù)記錄結(jié)果能夠繪制出工作面回采推進(jìn)距離與瓦斯抽采量之間的關(guān)系曲線如圖4所示。
圖4 工作面回采期間瓦斯治理曲線圖
分析圖4可知,工作面初采21 d內(nèi),工作面內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量的平均值為56.8 m3/min,在瓦斯綜合治理方案下,風(fēng)排瓦斯量達(dá)到4.7 m3/min,高抽巷平均瓦斯抽出量為35.34 m3/min,本煤層瓦斯抽采量平均為12 m3/min,據(jù)此可知工作面內(nèi)大量的瓦斯通過(guò)高抽巷抽采的方式被抽出,其次通過(guò)本煤層抽采鉆孔抽出,且基于上述分析可知,工作面內(nèi)各項(xiàng)抽采措施的抽采效果均較好。
另外,在工作面回采期間進(jìn)行工作面上隅角和回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)試分析,得出瓦斯?jié)舛惹€如圖5所示。
分析圖5可知,工作面回采期間回風(fēng)巷內(nèi)和上隅角的瓦斯平均濃度分別為0.14%和0.18%,回采期間無(wú)瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn),這即表明工作面瓦斯綜合治理措施有效解決了工作面內(nèi)瓦斯含量高的問(wèn)題。
圖5 工作面回采期間瓦斯?jié)舛惹€圖
根據(jù)2-203綜放工作面煤層瓦斯賦存特征,基于瓦斯抽采方法選擇原則,確定工作面瓦斯綜合治理方案為:本煤層抽采+高抽巷抽采+采空區(qū)全封閉抽采,并結(jié)合工作面特征進(jìn)行各項(xiàng)抽采方案的設(shè)計(jì),根據(jù)瓦斯抽采方案實(shí)施后的效果分析可知,工作面瓦斯綜合治理方案實(shí)施后,有效解決了工作面內(nèi)瓦斯含量高的問(wèn)題。