綜采工作面初采瓦斯治理技術(shù)研究

劉新禮

(山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司煤業(yè)分公司，山西 太原 030006)

瓦斯是制約礦井安全高效開采的主要因素之一，為加強(qiáng)瓦斯治理工作，研究瓦斯防治技術(shù)是礦井實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定生產(chǎn)的保障。當(dāng)前大多數(shù)高瓦斯礦井多采用“Y”型通風(fēng)方式，但這種通風(fēng)方式在工作面初采期間常出現(xiàn)回風(fēng)隅角瓦斯積聚的現(xiàn)象，對(duì)綜采工作面的正常生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響，因此有必要采取措施治理瓦斯[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高瓦斯礦井瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行了大量研究，周華東等人通過(guò)分析煤層上覆巖層覆存狀態(tài)及采動(dòng)破斷規(guī)律，采用布置高抽巷方案治理初采期間瓦斯超限問(wèn)題；侯永鵬等人針對(duì)高瓦斯綜放工作面采空區(qū)瓦斯積聚問(wèn)題，通過(guò)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破斷頂，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板及時(shí)垮落，避免瓦斯超限現(xiàn)象發(fā)生；吳仁倫等人通過(guò)對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析，采用頂板預(yù)裂措施解決工作面瓦斯超限問(wèn)題[3-5]。

為有效控制綜采工作面初采期間瓦斯積聚問(wèn)題，本文以霍爾辛赫煤礦條件為背景，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法對(duì)初采期間瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行了研究，從而為國(guó)內(nèi)其他礦井在相似條件下的高效高產(chǎn)開采工作提供借鑒。

1 工程背景

霍爾辛赫煤礦為高瓦斯礦井，開采煤層主要為3號(hào)煤，煤層厚度平均為5.65 m.礦井采用分區(qū)式通風(fēng)方式，共布置有3個(gè)進(jìn)風(fēng)井，2個(gè)專用回風(fēng)井。根據(jù)《霍爾辛赫3號(hào)煤層瓦斯參數(shù)測(cè)定報(bào)告》，3號(hào)煤層瓦斯壓力為0.30～0.44 MPa；原始瓦斯含量為7.29～8.69 m3/t；百米鉆孔瓦斯流量為0.007 11～0.009 6 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.086 1～0.416 1 d-1，透氣性系數(shù)為0.091 4～0.193 6 m2/(MPa2·d)；瓦斯放散初速度ΔP為12～18，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.46～0.47，孔隙率為2.13%～3.04%.

3305、3307工作面均為大采高沿空留巷工作面，采用兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)方式，即工作面兩巷道均為進(jìn)風(fēng)巷道，在所留巷道內(nèi)形成總回風(fēng)，其通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。3305工作面切眼長(zhǎng)度為250 m，3307工作面切眼長(zhǎng)度為220 m，煤層頂?shù)装迩闆r如圖2所示，頂板巖層強(qiáng)度較高，屬于堅(jiān)硬頂板巖層。目前3305工作面已回采完畢，3307工作面巷道已完成掘進(jìn)，即將進(jìn)行回采。由于3305工作面在初采期間，工作面瓦斯出現(xiàn)多次超限情況，影響正常生產(chǎn)組織，為避免3307工作面回采期間瓦斯大量涌出，參考3305工作面回采與工作面初采期間的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)3307工作面瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

圖2 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2 初采瓦斯涌出特征分析

2.1 初采工作面礦壓特征分析

3305工作面長(zhǎng)度為240 m，共布置采用160臺(tái)液壓支架，支架型號(hào)為ZY12000/28/62D.采用液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)工作面推進(jìn)至31.7 m時(shí)，液壓支架工作阻力出現(xiàn)了首次大幅增加情況，表明工作面此時(shí)出現(xiàn)了初次來(lái)壓現(xiàn)象，來(lái)壓步距為31.7 m，動(dòng)載系數(shù)為1.86.后續(xù)工作面推進(jìn)至49.7 m、71.5 m、90.8 m發(fā)生三次周期來(lái)壓，來(lái)壓步距平均為19.7 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.79.

從3305工作面初采期間礦壓特征可以看出，初采期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較大，初次來(lái)壓步距較長(zhǎng)，對(duì)其原因進(jìn)行分析可知，工作面基本頂為中砂巖，巖層厚度平均為6.4 m，普氏系數(shù)在6～9范圍內(nèi)，巖層強(qiáng)度較高。當(dāng)工作面推進(jìn)距離較小時(shí)，頂板巖層不容易垮落，因此容易出現(xiàn)采空區(qū)大面積懸頂情況，此時(shí)如果發(fā)生來(lái)壓，將出現(xiàn)巖層大面積垮落情況，來(lái)壓強(qiáng)度大，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯大量涌出，引發(fā)瓦斯超限現(xiàn)象。

2.2 初采期間瓦斯涌出特征

對(duì)3305工作面初采期間瓦斯分布特征進(jìn)行分析，表1為工作面推進(jìn)期間瓦斯含量情況。可以看出，正?；夭善陂g，工作面風(fēng)流中瓦斯含量較低，上隅角瓦斯含量較高，但仍處于可控范圍內(nèi)。當(dāng)工作面發(fā)生來(lái)壓時(shí)，工作面風(fēng)流中瓦斯含量明顯增加，隨后緩慢降低，上隅角瓦斯含量在來(lái)壓后處于較高水平，下降速度較慢，同時(shí)留巷回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯含量明顯上升。因此，工作面來(lái)壓時(shí)造成瓦斯超限的主要原因，需采取有效措施，降低來(lái)壓強(qiáng)度。

3 瓦斯治理技術(shù)研究

3.1 深孔預(yù)裂爆破放頂技術(shù)

由于工作面初采階段時(shí)，采空區(qū)頂板垮落等情況會(huì)造成采空區(qū)瓦斯突然涌出，導(dǎo)致工作面及隅角瓦斯超限，因此在初采階段，采取工作面切眼深孔爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)，有利于頂板順利垮落，不產(chǎn)生懸頂垮落而造成的颶風(fēng)、壓架等災(zāi)害事故，縮短初次來(lái)壓步距，避免來(lái)壓動(dòng)載過(guò)大[6]。

表1 工作面推進(jìn)距離與瓦斯含量關(guān)系

采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)3307工作面頂板進(jìn)行放頂，在工作面初采前，利用抽采鉆機(jī)在工作面切眼頂板上部施工爆破炮孔，炮孔直徑為76 mm，與水平夾角為45°，由于基本頂巖層深度在頂板上3.2～9.6 m范圍內(nèi)，因此炮孔垂直深度為10 m，炮孔深度為15 m，炮孔裝藥深度為4～15 m，長(zhǎng)度為11 m.距采空區(qū)側(cè)煤壁1 m處布置1排預(yù)裂炮孔，間距為3 m，切眼內(nèi)共布置82個(gè)炮孔。采用乳化炸藥進(jìn)行爆破，藥卷直徑為60 mm.工作面初采推進(jìn)至將要出切眼位置時(shí)，工作面停止生產(chǎn)，對(duì)工作面切眼頂板集中進(jìn)行預(yù)裂爆破，爆破施工完成后，工作面正常組織推進(jìn)。

3.2 本煤層順層鉆孔抽采技術(shù)

本煤層順層鉆孔抽采技術(shù)主要在工作面開采前進(jìn)行，順層鉆孔主要包括巷道內(nèi)抽采鉆孔與切眼抽采鉆孔。根據(jù)3307工作面產(chǎn)量，依據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，工作面在回采前瓦斯煤層可解析瓦斯含量不得超過(guò)4.5 m3/t.

1) 巷道預(yù)抽鉆孔。在距離切眼200 m處兩巷道內(nèi)開始施工鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距設(shè)計(jì)為200 m，在鉆場(chǎng)內(nèi)向工作面范圍內(nèi)施工順層預(yù)抽鉆孔，鉆孔深度為50～150 m，直徑為113 mm，每個(gè)鉆場(chǎng)可覆蓋采面200 m.

2) 切眼抽采鉆孔。從切眼巷道內(nèi)向工作面方向施工傾向鉆孔，鉆孔施工按照切眼掘進(jìn)順序分為掘進(jìn)和起底兩個(gè)階段，每個(gè)階段各施工1排鉆孔。為了避免切眼鉆孔施工破壞工作面巷道預(yù)抽鉆孔，切眼兩側(cè)各留20 m不進(jìn)行鉆孔施工。為強(qiáng)化抽采工作面中部瓦斯，將切眼設(shè)計(jì)區(qū)域分為三部分，分別為左側(cè)65 m、中部50 m、右側(cè)65 m.切眼兩個(gè)階段鉆孔施工參數(shù)如下：

掘進(jìn)階段：切眼內(nèi)施工單排鉆孔，開孔距底板1.4 m，兩側(cè)各65 m區(qū)域鉆孔間距為2.5 m，中部60 m區(qū)域鉆孔間距為2.0 m，鉆孔與煤層方向平行，長(zhǎng)度為150 m.

起底階段：切眼內(nèi)施工單排鉆孔，開孔距底板1.4 m，兩側(cè)各65 m區(qū)域鉆孔間距3 m，中部60 m區(qū)域鉆孔間距為2.5 m，鉆孔與煤層方向平行，長(zhǎng)度為150 m.

3.3 采空區(qū)插管抽采瓦斯抽采技術(shù)

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，必須對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)“Y”型通風(fēng)方式的流場(chǎng)特性，在留巷側(cè)采空區(qū)容易積聚大量高濃度瓦斯，采用采空區(qū)插管方法對(duì)此處瓦斯進(jìn)行抽采。

3307工作面采用澆筑混凝土柔模進(jìn)行沿空留巷，澆筑柔模前，在墻體上方距頂板0.2 m處，預(yù)留抽采孔向采空區(qū)內(nèi)插管，插管深度不低于3 m，插管間距為10 m.留巷內(nèi)插管滯后于工作面回采20 m，抽采管路選用DN300抽放管，插管設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 采空區(qū)插管抽采示意

3.4 抽采效果分析

采用上述瓦斯治理措施后，3307工作面初采期間，工作面切眼頂板在推進(jìn)出切眼位置即開始垮落，推進(jìn)20 m左右時(shí)大部分垮落完全，深孔爆破預(yù)裂技術(shù)較好解決了工作面初采期間頂板大面積垮落問(wèn)題，初采期間工作面瓦斯?jié)舛仍?.15%～0.2%范圍內(nèi)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.3%范圍內(nèi)，抽采效果顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 對(duì)相鄰工作面初采礦壓特征進(jìn)行了分析，工作面初次來(lái)壓步距為31.7 m，周期來(lái)壓步距平均為19.7 m，動(dòng)載系數(shù)平均為1.79.來(lái)壓步距較大，主要因煤層基本頂為中砂巖，巖層強(qiáng)度較大，不易垮落，來(lái)壓時(shí)易引發(fā)瓦斯超限現(xiàn)象。

2) 采用深孔預(yù)裂爆破放頂、本煤層順層鉆孔抽采、采空區(qū)插管抽采等技術(shù)對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行了治理，并對(duì)抽采方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)初采期間抽采效果，工作面瓦斯?jié)舛仍?.15%～0.2%范圍內(nèi)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.3%范圍內(nèi)，抽采效果顯著。