綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

姚美紅

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

南凹寺煤業(yè)開采的3#煤層具有自然發(fā)火傾向，30401綜采工作面在回采期間上隅角經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯積聚造成瓦斯超限，采用埋管的方式對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采時(shí)，容易在工作面采空區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，導(dǎo)致工作面的風(fēng)量有一部分向采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)，造成采空區(qū)漏風(fēng)量增大，增加了工作面采空區(qū)內(nèi)遺落的煤炭發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。為有效防止工作面出現(xiàn)瓦斯超限和采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃現(xiàn)象，根據(jù)工作面煤層、瓦斯地質(zhì)情況及瓦斯治理技術(shù)水平，研究制定并實(shí)施工作面瓦斯綜合治理方案，保障了工作面安全回采。

1 工程概況

30401綜采工作面位于南凹寺煤業(yè)四采區(qū)東翼下段，工作面西靠三采區(qū)軌道運(yùn)輸巷，東至礦井井田邊界，南部和北部為礦井未開采區(qū)域（工作面布置如圖1）。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1128 m，切眼斜長(zhǎng)200 m。工作面主采15#煤層，煤層厚度2.2～3.7 m，平均3.3 m，煤層傾角6°～12°，平均9°。煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖夾薄層細(xì)砂巖，底板巖性為砂質(zhì)泥巖。工作面煤層自燃傾向等級(jí)為Ⅱ類，屬于自燃煤層。工作面采用U型上行通風(fēng)方式，即下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)。工作面煤層瓦斯地質(zhì)參數(shù)見表1。根據(jù)相鄰已回采工作面煤層瓦斯涌出量情況，預(yù)計(jì)30401工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為42 m3/min。

表1 30401工作面煤層瓦斯地質(zhì)參數(shù)

圖1 30401工作面平面布置圖

2 工作面瓦斯綜合治理技術(shù)

2.1 本煤層順層鉆孔抽采

根據(jù)30401工作面煤層賦存情況，在工作面上下順槽距切巷不少于50 m位置向外布置施工順層鉆孔，鉆孔呈單排方式布置，沿垂直工作面走向方向施工，鉆孔開孔位置距巷道底板1.5～1.8 m，孔深不低于110 m，孔間距2.4 m，鉆孔直徑94 mm，上下順槽施工的鉆孔相互交叉長(zhǎng)度不低于10 m。鉆孔布置如圖2。

圖2 30401工作面上下順槽順層鉆孔布置示意圖（m）

2.2 高位鉆孔抽采

采用高位鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯主要有兩種布置方式[1-6]，一種方式是在工作面順槽內(nèi)施工高位鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)向工作面采空區(qū)方向施工改為鉆孔進(jìn)行抽采；一種是直接在順槽內(nèi)沿巷幫位置施工高位鉆孔抽采瓦斯。

2.2.1 鉆場(chǎng)內(nèi)高位鉆孔抽采

在30401工作面回風(fēng)順槽內(nèi)沿走向方向每間隔60 m施工一個(gè)頂板高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)開口方向垂直于巷幫，鉆場(chǎng)寬3.6 m，高3.0 m，深4.8 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)。鉆孔布置在鉆場(chǎng)右?guī)?，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)布置上下2排鉆孔，每排4個(gè)鉆孔，每排鉆孔開孔位置孔間距為0.6 m，其中下排鉆孔開孔位置距巷道底板1.6 m，上排鉆孔距巷道底板1.8 m，鉆孔設(shè)計(jì)深度120 m，直徑94 mm。鉆孔呈扇形布置，終孔位置距工作面煤層頂板24～45 m。鉆孔布置如圖3，施工參數(shù)見表2。

表2 鉆場(chǎng)高位鉆孔施工參數(shù)

圖3 30401工作面上順槽鉆場(chǎng)高位鉆孔布置示意圖

2.2.2 巷旁高位鉆孔抽采

在30401工作面回風(fēng)順槽內(nèi)距切巷50 m向外開始每間隔60 m施工一組巷旁高位鉆孔，每組設(shè)計(jì)布置10個(gè)鉆孔，上下兩排布置，每排施工5個(gè)，鉆孔排距0.5 m，上排孔開孔位置距巷道底板1.8 m，下排孔開孔位置距巷道底板1.6 m，孔深120 m，孔徑94 mm，鉆孔終孔位置距煤層頂板15～45 m，進(jìn)入到工作面距離為33～78 m。巷旁高位鉆孔布置如圖4，鉆孔施工參數(shù)見表3。

表3 巷旁高位鉆孔施工參數(shù)

圖4 30401工作面上順槽巷旁高位鉆孔布置示意圖

2.3 上隅角埋管抽放

2.3.1 確定工作面采空區(qū)自燃三帶范圍

30401綜采工作面主采的15#煤層屬于自燃煤層，具有自然發(fā)火傾向。為抑制采空區(qū)遺煤自燃，工作面上隅角采用埋管抽放瓦斯時(shí)要盡量達(dá)到以下要求[7-8]：（1）減小上隅角瓦斯積聚濃度，防止上隅角瓦斯超限；（2）工作面回采期間使用煤袋在上隅角建設(shè)密閉墻，并使用黃泥對(duì)煤袋及埋管周圍縫隙進(jìn)行填塞，保證上隅角采空區(qū)密閉性，減少埋管時(shí)上隅角采空區(qū)漏風(fēng)量，防止采空區(qū)遺煤出現(xiàn)氧化自燃。根據(jù)礦井綜采工作面上隅角以往埋管抽放情況，插入到采空區(qū)內(nèi)抽采管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，抽采的瓦斯?jié)舛仍礁?，瓦斯抽采量也越大，但是在降低上隅角瓦斯?jié)舛确矫嫘Ч皇呛苊黠@。一般上隅角插管進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)5～30 m范圍內(nèi)均能夠起到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊男Ч?，?dāng)超過30 m后，瓦斯抽采量明顯增大，但上隅角瓦斯?jié)舛冉档托Ч幻黠@。

為能夠掌握工作面采空區(qū)內(nèi)自燃三帶范圍，在工作面初采期間就開始利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的氣體主要成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)自燃三帶劃分標(biāo)準(zhǔn)[9-10]（見表4）及采空區(qū)內(nèi)氣體成分監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定30401綜采工作面采空區(qū)自燃三帶劃分的范圍為散熱帶0～27 m，氧化自燃帶27～68 m，窒息帶在68 m以后。據(jù)此可知，將上隅角埋管深度控制在27 m以內(nèi)能夠有效防止因埋管造成采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃問題。在對(duì)30401工作面上隅角采取埋管抽放措施時(shí)，控制埋管深度在5～20 m范圍內(nèi)效果最佳。

表4 采空區(qū)自燃三帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 上隅角埋管布置方式

在對(duì)上隅角進(jìn)行埋管抽放初期，埋管布置方式為單管布置，由于受現(xiàn)場(chǎng)條件及施工條件制約，不能夠保證埋管位置一直處于上隅角采空區(qū)5～20 m范圍內(nèi)。經(jīng)過多次摸索試驗(yàn)，確定采用錯(cuò)位埋管布置方式對(duì)上隅角采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，即在上隅角采空區(qū)內(nèi)鋪設(shè)兩趟抽采管路，兩趟管路開口位置相距20 m，在每趟管路上間隔10 m設(shè)置一個(gè)三通閥門。抽采上隅角采空區(qū)內(nèi)瓦斯時(shí)，先將埋入最深的一趟管路打開，當(dāng)該趟管路進(jìn)入采空區(qū)20 m以后，關(guān)閉第一趟管路并抽出，打開另一趟抽采管路進(jìn)行抽放瓦斯，始終確保抽采管的端口在采空區(qū)5～20 m范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)交替抽放上隅角瓦斯，并減少了材料消耗。工作面上隅角抽采管路布置圖如圖5。

圖5 30401工作面上隅角埋管布置示意圖（m）

3 應(yīng)用效果分析

工作面采取綜合瓦斯治理措施后，分別對(duì)本煤層抽采、高位鉆孔抽采、上隅角埋管抽采瓦斯的抽采量、純量、濃度進(jìn)行計(jì)量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表5。

表5 30401工作面瓦斯抽采情況統(tǒng)計(jì)

30401工作面生產(chǎn)期間監(jiān)測(cè)的工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€圖如圖6。采取上述瓦斯綜合治理技術(shù)后，工作面回采期間回風(fēng)巷及上隅角瓦斯?jié)舛纫恢钡陀?.5%，未發(fā)生過瓦斯超限事故。

圖6 30401工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€圖

采用錯(cuò)位埋管布置方式對(duì)上隅角采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放后，通過安裝在抽采管路上CO傳感器對(duì)采空區(qū)內(nèi)的CO濃度監(jiān)測(cè)，在工作面回采期間CO傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)始終為零，通過人工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)上隅角CO進(jìn)行測(cè)量，也始終未檢測(cè)到CO。由此說明采空區(qū)瓦斯綜合治理措施不會(huì)造成工作面采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化自燃。工作面日產(chǎn)量也由原來2000 t/d提高到3000 t/d，工作面實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）工作面上隅角出現(xiàn)瓦斯積聚超限是制約30401工作面安全高效回采的主要因素，為了保證工作面安全高效生產(chǎn)，采取本煤層順層鉆孔抽放技術(shù)降低了工作面煤層中瓦斯含量，減少回采期間煤層中瓦斯集中涌出量，采取高位鉆孔抽采和上隅角埋管抽放技術(shù)對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采，有效降低了采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛?，減少了采空區(qū)瓦斯涌出量，解決了上隅角瓦斯積聚超限問題。

（2）對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體成分監(jiān)測(cè)結(jié)果及采空區(qū)自燃三帶劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，確定30401綜采工作面采空區(qū)自燃三帶劃分的范圍分別為散熱帶0～27 m，氧化自燃帶27～68 m，窒息帶在68 m以后。為保證上隅角瓦斯抽采效果，同時(shí)減少采空區(qū)漏風(fēng)量，確定上隅角埋管深度為5～20 m，并采用錯(cuò)位埋管布置方式對(duì)上隅角進(jìn)行埋管抽放。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，工作面采取瓦斯綜合治理措施以后，上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，工作面回采期間未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，且采空區(qū)內(nèi)未發(fā)生遺煤自燃現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。