大氣壓條件下綜放工作面瓦斯治理技術(shù)研究

王 平 朱 鵬 尚學(xué)鋒

（河南能源化工集團(tuán)新疆投資控股有限公司榆樹嶺煤礦，新疆 阿克蘇 842000）

大氣壓變化對瓦斯涌出具有一定程度的影響，為解決榆樹嶺煤礦瓦斯涌出隨大氣壓的變化問題，通過現(xiàn)場觀測、通風(fēng)優(yōu)化及瓦斯抽放技術(shù)進(jìn)行研究[1-5]，對榆樹嶺煤礦大氣壓變化條件下綜放面及采空區(qū)瓦斯涌出治理提供技術(shù)及理論依據(jù)。

1 工作面概況

試驗區(qū)選擇110501 綜放工作面，110501 綜放工作面為11 采區(qū)首個綜放工作面，工作面改造巷傾向長度57 m，平均坡度10°。110501 綜放工作面開采煤層屬于高瓦斯煤層，其相對瓦斯涌出量為2.790 m3/t。

2 大氣壓作用綜放面瓦斯涌出規(guī)律研究

2.1 綜放面瓦斯涌出預(yù)測

2.1.1 開采煤層瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)110501 綜放面設(shè)計情況，對分源預(yù)測法中公式的參數(shù)進(jìn)行測定取值，見表1。

將上述參數(shù)帶入分源預(yù)測法中計算，選取工作面日進(jìn)尺為2.58 m，當(dāng)放頂煤回采率為80%時，可得Q1=3.465 m3/t，Q2=4.366 m3/t，Q3=0.096 5 m3/t，Q4=1.2 m3/t，即Q本=9.127 5 m3/t。

2.1.2 鄰近層瓦斯涌出量預(yù)測

根據(jù)上述計算方法對各鄰近層參數(shù)進(jìn)行取值，瓦斯排放率取38%，見表2。

表2 鄰近層相對瓦斯涌出量取值表

計算可得工作面回采率為80%時，鄰近層相對瓦斯涌出量為Q鄰（下7）=1.178 m3/t，

Q鄰（下8）=0.089 88 m3/t，即Q鄰=1.268 m3/t。

2.2 大氣壓動態(tài)變化規(guī)律

通過現(xiàn)場監(jiān)測得到了2020 年6 月—2021 年6月榆樹嶺礦全年氣壓變化數(shù)據(jù)，繪制了榆樹嶺煤礦全年氣壓波動圖，如圖1。

圖1 榆樹嶺煤礦地面大氣壓全年變化圖

由圖1 可得，礦區(qū)夏季日照時間最久，可達(dá)16 h 之上，冬季白天日照時間最短但仍達(dá)10 h 之上。通過監(jiān)測榆樹嶺礦地面大氣壓分析得到，榆樹嶺礦區(qū)全年大氣壓為80.8～83.5 kPa，平均為82.2 kPa。

2.3 大氣壓力變化與瓦斯涌出量關(guān)系

2.3.1 大氣壓變化與上隅角瓦斯?jié)舛汝P(guān)系

工作面回采過程中，對上隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，繪制地面大氣壓與上隅角瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系，如圖2。

圖2 為2021 年上半年地面大氣壓與上隅角瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系。自2 月份礦區(qū)整體氣溫回升，造成地面大氣壓開始下降，且整體波動較為明顯。在2021 年上半年中2 月26 日、3 月15 日、3 月30 日和4 月31 日地面大氣壓出現(xiàn)波動，隨后上隅角瓦斯增大?？梢缘玫剑捍髿鈮鹤兓鸬墓ぷ髅鏆鈮鹤兓c上隅角瓦斯?jié)舛瘸守?fù)相關(guān)變化關(guān)系。

圖2 地面大氣壓與上隅角瓦斯?jié)舛茸兓P(guān)系

2.3.2 大氣壓變化與絕對瓦斯涌出量關(guān)系

根據(jù)大氣壓變化引起的工作面絕對瓦斯涌出量變化，首先分析大氣壓變化與相對瓦斯涌出量的關(guān)系，如圖3。

圖3 地面大氣壓與絕對瓦斯涌出量變化關(guān)系

由圖3 可以看出，大氣壓變化引起的工作面氣壓變化與絕對瓦斯涌出量呈負(fù)相關(guān)變化關(guān)系，即大氣壓快速持續(xù)降低期間，采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出速率由小增大，前期變化相對較慢，其涌出速率和涌出量在較長時間積累時會達(dá)到瓦斯超限閾值，影響安全生產(chǎn)；當(dāng)大氣壓降低趨勢停止，一段時間內(nèi)礦井內(nèi)的瓦斯涌出量明顯降低，瓦斯超限警報便迅速解除。

3 大氣壓影響下綜放面瓦斯治理技術(shù)

3.1 綜放工作面瓦斯抽采方案

根據(jù)瓦斯抽采鉆孔平均抽采流量12～15 m3/min，平均瓦斯抽采濃度2%～3%計算，單孔瓦斯抽采純量為0.24～0.45 m3/min。因此，應(yīng)在回風(fēng)順槽施工普通高位鉆孔和定向高位鉆孔，對采空區(qū)裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采。定向高位鉆孔每循環(huán)布置11 個鉆孔，鉆孔終孔點(diǎn)位于下5 煤層頂板20～60 m，鉆孔控制范圍為回風(fēng)順槽上幫向下沿傾向距離30 m 范圍；普通高位鉆孔每循環(huán)布置7 個鉆孔，鉆孔終孔點(diǎn)位于下5 煤層頂板20～40 m，鉆孔控制范圍為回風(fēng)順槽上幫向下沿傾向距離45 m 范圍。

3.2 綜放工作面瓦斯抽采效果分析

抽采起始于2020 年4 月，結(jié)束于2021 年5 月，共14 個月，取各月抽采平均值，得出純瓦斯抽采流量及瓦斯純量變化圖，如下圖所示。

由圖4 可以看出，高位鉆孔布置后，當(dāng)出現(xiàn)大氣壓降低趨勢，工作面瓦斯涌出量增大，從而甲烷濃度增大。抽采流量變化趨勢基本與瓦斯?jié)舛茸兓€相吻合，符合抽采設(shè)計要求。抽采流量持續(xù)下降，直至抽采結(jié)束時，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測瓦斯抽采純量在290.5～1 562.3 m3/min，瓦斯抽采流量在0.29～0.94 m3/min，達(dá)到設(shè)計要求。

圖4 回風(fēng)巷瓦斯抽采效果

3.3 瓦斯異常涌出的預(yù)防措施

為強(qiáng)化綜放工作面瓦斯安全管理，降低瓦斯異常涌出概率，可以通過下述措施進(jìn)行防范：

（1）工作面配風(fēng)量增大后，可有效對工作面瓦斯進(jìn)行稀釋。但風(fēng)量不宜過大，避免煤炭自燃以及風(fēng)量過大對回采工作的影響。

（2）可采取自動調(diào)節(jié)風(fēng)門，監(jiān)測礦井地面大氣壓變化，當(dāng)?shù)孛娲髿鈮和蝗唤档蜁r可自動調(diào)節(jié)工作面壓力，增大工作面靜壓，從而遏制瓦斯異常涌出。

（3）通過分析大氣壓變化與采空區(qū)瓦斯涌出的規(guī)律，結(jié)合110501 工作面地質(zhì)構(gòu)造及開采工藝，在110501 綜放工作面采用高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)，通過采空區(qū)抽放形成一定負(fù)壓，減少大氣壓降低引起的采空區(qū)瓦斯涌出量。

4 結(jié)論

（1）監(jiān)測得到榆樹嶺礦區(qū)全年最高氣壓值為83.5 kPa，全年最低氣壓值為80.8 kPa，全年最大壓差2.7 kPa。

（2）根據(jù)榆樹嶺煤礦實際情況，采用高位鉆孔交替抽放采空區(qū)頂部瓦斯，最終設(shè)計18 個鉆孔，其中普通高位鉆孔7 個，定向高位鉆孔11 個。

（3）通過增大工作面配風(fēng)量、調(diào)節(jié)工作面壓力及采取高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)可防治工作面瓦斯異常發(fā)生。