李陽(yáng)煤礦15501 綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)

嚴(yán)書政

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯事故是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素[1]。目前，常用的瓦斯治理方法有地面鉆井預(yù)抽、本煤層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采等[2-3]。高瓦斯厚煤層放頂煤開采時(shí)，受工作面高產(chǎn)及放頂時(shí)頂煤瞬間垮落影響，煤層中大量積聚瓦斯釋放，極易造成工作面和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸轠4-5]。單一的瓦斯治理措施難以有效治理瓦斯問題[6]。李陽(yáng)煤礦為高瓦斯礦井，受工作面U 型通風(fēng)影響，工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瘸?，?yán)重影響安全生產(chǎn)。

1 工程概況

李陽(yáng)煤礦現(xiàn)開采15 號(hào)煤層，煤層平均埋深為360 m，均厚5.56 m，平均傾角9°。15 號(hào)煤孔隙率為2.86%～3.97%，瓦斯最大含量為12.7 m3/t，瓦斯壓力為0.03～0.60 MPa，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為4.19～4.57 L/min，百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.144～0.158 d-1，透氣性系數(shù)為0.107 3～0.372 2 m2/MPa2·d，屬可抽采厚煤層。15501 工作面位于五采區(qū)，南側(cè)和西側(cè)為邊界煤柱，北為五采區(qū)大巷，東鄰15502 工作面。工作面傾向長(zhǎng)度為180 m，走向長(zhǎng)度為2015 m，可采走向長(zhǎng)度為1515 m，共布置15501 膠帶順槽、輔運(yùn)順槽和高抽巷三條巷道。全礦井采用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，工作面采用“U”型通風(fēng)方式，15501 膠帶順槽進(jìn)風(fēng)，15501 輔運(yùn)順槽回風(fēng)。工作面順槽均采用矩形斷面，尺寸為4500 mm×3600 mm（凈寬×凈高），設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1577 m；15501 高抽巷為矩形斷面，尺寸為4000 mm×3000 mm（凈寬×凈高），設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1650 m。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工作面瓦斯來(lái)源分析及涌出量預(yù)測(cè)

2.1 工作面瓦斯來(lái)源分析

15 號(hào)煤工作面回采期間瓦斯來(lái)源主要有割煤瓦斯涌出、放頂煤瓦斯涌出、采空區(qū)遺煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。回采工作面最大瓦斯涌出量為48.53 m3/min，其中開采層瓦斯涌出量為30.49 m3/min，占62.82%；鄰近層瓦斯涌出量為18.04 m3/min，占37.18%。故15 號(hào)煤瓦斯來(lái)源主要是回采工作面和采空區(qū)。

2.2 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

工作面相對(duì)瓦斯涌出量qc可通過(guò)式（1）計(jì)算：

式中：q1為割煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q2為放煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q3為工作面采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；q4為鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。

1）割煤相對(duì)瓦斯涌出量

割煤相對(duì)瓦斯涌出量q1可通過(guò)式（2）計(jì)算：

式中：K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.3；K2為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)；Kfi為第i分層瓦斯涌出影響系數(shù)，取1；m1為割煤高度，取3.0 m；M為開采煤層厚度，取5.56 m；W0為煤層瓦斯含量，取12.7 m3/t；Wc為煤的殘存瓦斯含量，取2.08 m3/t；L為工作面長(zhǎng)度，取180 m；h為巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，取10.5 m。根據(jù)式（2）和（3）得K2=0.88，q1=6.56 m3/t。

2）放頂煤相對(duì)瓦斯涌出量

放頂煤相對(duì)瓦斯涌出量可采用式（4）計(jì)算：

式中：K3為放落煤體破碎度對(duì)放頂煤瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.93；m2為放頂煤高度，取2.56 m；根據(jù)式（4）得q2=5.20 m3/t。

3）工作面采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量

工作面采空區(qū)相對(duì)瓦斯涌出量可根據(jù)式（5）和（6）計(jì)算：

式中：qy為遺留煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；qf為下分層相對(duì)瓦斯涌出量，取0；K4為遺留煤瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.3；K5為放頂煤回采率，取88%；根據(jù)式（5）和（6）得q3=1.66 m3/t。

4）鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量

鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量可根據(jù)式（7）計(jì)算：

式中：mi為第i個(gè)鄰近煤層厚度，m；ηi為第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；Woi為第i個(gè)鄰近煤層原始瓦斯含量，按15 號(hào)煤選取，m3/t；Wci為第i個(gè)鄰近煤層殘存瓦斯含量，按15 號(hào)煤選取，m3/t。鄰近層瓦斯涌出量見表1。根據(jù)式（7）得q4=7.94 m3/t。

表1 鄰近層瓦斯涌出量表

15 號(hào)煤工作面回采期間瓦斯相對(duì)涌出量qc=q1+q2+q3+q4=6.56+5.20+1.66+7.94=21.36 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為48.53 m3/min。

3 工作面瓦斯綜合治理技術(shù)方案

3.1 本煤層順層平行鉆孔抽采

本煤層順層平行鉆孔布置方式：沿膠帶順槽、軌道順槽向工作面布置雙排順層平行鉆孔，鉆孔呈三花布置，直徑113 mm，孔深100 m，孔間距1.8 m，鉆孔與煤層角度相同。上排鉆孔開孔及終孔位置距順槽頂板為2 m，下排鉆孔開孔及終孔位置距順槽底板為0.6 m。采用囊袋式帶壓注漿封孔工藝，孔口負(fù)壓13 kPa。根據(jù)15 號(hào)煤三采區(qū)本煤層順層平行鉆孔瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)預(yù)抽時(shí)間為360 d。順層平行鉆孔抽采管路與順槽高負(fù)壓瓦斯抽采管路聯(lián)通，本煤層順層平行鉆孔布置情況如圖1。

圖1 本煤層順層平行鉆孔布置圖（m）

3.2 走向高抽巷抽采

因15 號(hào)煤工作面頂板冒落帶和裂隙帶最大高度分別為32.8 m 和65.6 m，故走向高抽巷布設(shè)位置為15 號(hào)煤頂板以上32.8～65.6 m。走向高抽巷頂板沿K3 石灰?guī)r底板布置，K3 石灰?guī)r距15 號(hào)煤層頂板35 m。根據(jù)工作面長(zhǎng)度為180 m，設(shè)計(jì)走向高抽巷與15501 軌道順槽水平距離35 m，利用走向高抽巷閉墻上的插管對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。走向高抽巷布置如圖2。

圖2 走向高抽巷布置圖

3.3 裂隙帶高位鉆孔抽采

回采工作面后方采空區(qū)裂隙帶和采空區(qū)部分瓦斯采用高位鉆孔進(jìn)行抽采。在軌道順槽內(nèi)布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)尺寸4000 mm×3600 mm×4000 mm（寬×高×深），間距66 m，鉆場(chǎng)內(nèi)向回采方向頂板施工6 個(gè)扇形鉆孔，鉆孔直徑113 mm，終孔位置為采空區(qū)上方48 m 裂隙帶內(nèi)。鉆場(chǎng)內(nèi)布置上下兩排鉆孔，上排布置3 個(gè)，開孔位置靠近頂板，仰角38°，斜長(zhǎng)平均84 m，水平夾角13°、21°、27°，終孔距回風(fēng)順槽15 m、25 m、35 m；下排布置3 個(gè)，開孔位置為頂板往下0.8 m 處，仰角27°，斜長(zhǎng)平均109 m，水平夾角8°、14°、19°，終孔距回風(fēng)順槽15 m、25 m、35 m。裂隙帶高位鉆孔布置如圖3。

圖3 裂隙帶高位鉆孔布置圖（m）

3.4 上隅角插管抽采

設(shè)計(jì)15501 軌道順槽布置一趟直徑為457 mm的瓦斯抽采管路，將長(zhǎng)度為10 m 的金屬管（插管）固定在袋子墻內(nèi)，前端設(shè)置篩孔管，通過(guò)瓦斯抽采軟管與低負(fù)壓瓦斯抽采管路連接，插管隨工作面推進(jìn)而移動(dòng)。工作面回風(fēng)流上隅角插管布置如圖4。

圖4 上隅角插管布置圖（m）

4 工作面瓦斯治理效果評(píng)價(jià)

由現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)知，開采層預(yù)抽瓦斯量為21.41 m3/min，開采層瓦斯抽采量為29.97 m3/min，上鄰近層抽采量為9.02 m3/min，回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采量為2.86 m3/min，回采工作面瓦斯抽采率為86.2%。此外，對(duì)15501 工作面回采期間上隅角和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖5。由圖5 可知，工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.42%～0.68%，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.38%～0.65%，均小于瓦斯?jié)舛葓?bào)警臨界值0.8%，表明所采用的瓦斯綜合治理措施對(duì)15501 工作面瓦斯治理效果顯著。

圖5 瓦斯?jié)舛茸兓€

5 結(jié)語(yǔ)

1）分析了工作面回采期間瓦斯來(lái)源，預(yù)測(cè)工作面瓦斯相對(duì)涌出量為21.36 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為48.53 m3/min。

2）提出了“本煤層順層平行鉆孔抽采+走向高抽巷抽采+裂隙帶高位鉆孔抽采+上隅角插管抽采”的瓦斯綜合治理措施。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：進(jìn)行瓦斯綜合治理后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.42%～0.68%，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.38%～0.65%，瓦斯治理效果顯著。